1 Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск, Россия Контроль и рост HgTe квантовых ям С.А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов,, В.А. Швец, З.Д. Квон, - презентация

1 1 Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск, Россия Контроль и рост HgTe квантовых ям С.А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов,, В.А. Швец, З.Д. Квон, Е.Б. Ольшанецкий, С.Н. Данилов, С.Д. Ганичев Нанобъекты на основе узкозонного CdHgTe Оборудование, технология выращивания ГЭС КРТ МЛЭ Выращивание квантовых ям на основе узкозонного Cd x Hg 1-x Te c in situ прецизионным контролем толщины и состава. Гальваномагнитные исследования выращенных структур Фотогальванический эффект Выводы

2 2 Институт физики полупроводников СО РАН Несмотря на разработки ИК-фотоприемников на альтернативных материалах, Cd X Hg 1-X Te остается базовым материалом для ИК ФП с предельными обнаружительными способностями благодаря уникальным физическим свойствам. Развитие архитектуры детекторов ИК-излучения c использованием многослойных структур с различным типом легирования, направленное на повышение рабочей температуры, создание многоцветных фотоприемников и улучшение чувствительности резко повысило роль метода МЛЭ в производстве КРТ. ИК ФП разнообразных форматов с ограничением фоном были созданы с использованием МЛЭ КРТ. Из всех методов выращивания КРТ МЛЭ обладает наибольшими возможностями контролируемого выращивания эпитаксиальных слоев КРТ на инородных («альтернативных») подложках. Благодаря низкой температуре выращивания, МЛЭ обеспечивает приготовление структур на основе КРТ с наибольшей резкостью гетерограниц по сравнению с другими методами. Низкая температура выращивания обуславливает низкую концентрацию электрически активных дефектов – достигаемая концентрация доноров лежит на уровне см -3 при высокой подвижности носителей и высоком времени жизни неосновных носителей.

3 3 Институт физики полупроводников СО РАН Зонная диаграмма HgCdTe E 0 = Г6-Г8.

4 4 Институт физики полупроводников СО РАН Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки полупроводников

5 5 Институт физики полупроводников СО РАН Преимущества МЛЭ Cd x Hg 1-x Te: 1. Низкая температура выращивания (160 0 C ÷ C): резкость гетерограниц по сравнению с другими методами; низкий уровень фонового легирования – концентрация носителей заряда менее 5×10 14 см -3 ; низкая диффузия примесей из подложки. 2. Нет агрессивной среды: использование «альтернативных подложек» большого диаметра. 3. Контроль процесса в реальном времени обеспечивается возможностью использования эллипсометрического контроля за параметрами растущего слоя. 4. Гибкость: изготовление разнообразных многослойных структур с заданным распределением состава и легирования, в том числе сверхрешеток, квантовых ям и барьеров.

6 6 Институт физики полупроводников СО РАН

7 7

8 8

9 9 Для управляемого выращивания многослойных гетероэпитаксиальных структур Cd x Hg 1-x Te и квантовых ям необходимы: Прецизионный контроль состава выращиваемых слоев; Прецизионный контроль толщины растущего слоя. Особенности: 1. В квантовых яма на основе A II B VI эффективная масса электрона в несколько раз меньше, чем в аналогичных A III B V 2. HgTe –полуметалл и имеет инвертированную зону проводимости Следствия: большое Ландау расщепление и перекрытие уровней с увеличением магнитного поля. При узкой ширине квантовой ямы должно наблюдаться ослабление эффекта локализации электронов, большая величина осцилляций Шубникова- де Гааза, проявление эффекта Ражба.

10 10 Нормальная зонная структура (Ge) Инверсная зонная cтруктура (объем HgTe) Инверсная зонная cтруктура (квантовая яма CdHgTe/HgTe/CdHgTe) g эВ g эВ E HH LH SO LH HH E E1E1 HH1 HH2 g >0

11 11 Институт физики полупроводников СО РАН Установка МЛЭ Обь-М Слева направо: СВВ технологический модуль термической очистки поверхности GaAs; СВВ технологический модуль роста; буферного слоя; СВВ технологический модуль роста слоев КРТ. Подложка GaAs As ZnTe CdTe Cd 0,4 Hg 0,6 Te Cd 0,22 Hg 0,78 T e

12 12 Институт физики полупроводников СО РАН Технологический модуль роста слоев КРТ Оранжевого цвета плечи поляризатора (слева) и анализатора (справа) автоматического эллипсометра

13 13 Институт физики полупроводников СО РАН HeNe МЛЭ модуль S ФП P I1I1 I2I2 I3I3 I4I4 4 bit + 5 V an.2 an.1 Усили- тель 4 bit + 5 V an.2 an.1 8 bit цифр. выход 12 bit аналого- цифровой преобразователь C A1A1 A2A2 Источник света Диаметр пучка Время измерения: мин. опт. Абсолютная точность, X CdTe Чувст. состава, X CdTe Чувст. толщины HeNe лазер (632,8 нм) 2 мм 0,04 мс 30 мс 0,003 0,0005 0,5 нм Характеристики эллипсометра: Усили- тель

14 14 Институт физики полупроводников СО РАН Расчетные кривые изменения эллипсометричес ких параметров и в плоскости - при выращивании эпитаксиальных пленок КРТ различного состава на подложке КРТ с составом X CdTe = 0,3 (точка S). Цифры у кривых соответствуют составу выращиваемого эпитаксиального слоя. Пунктир AB – калибровочная кривая., град.

15 15 1,21,31,41,51,61,71, /T In, 1/K n, cm -3 Концентрация электронов (n 77 ) vs. температуры источника индия (T In ) n, cm -3 Концентрация индия ВИМС, отн.ед. Концентрация электронов (n 77 ) vs. концентрации индия (ВИМС) Легирование индием Институт физики полупроводников СО РАН

16 Зависимость рассчитанных эллипсометрических параметров и от общей толщины СР HgTe-CdTe ( I ) и от толщины слоя Cd 0,33 Hg 0,67 Te, выращенных на CdTe ( II ). Числа у кривой I – номер периода СР, у кривой II толщина слоя в нм. На врезке схематическое изображение структуры СР. Институт физики полупроводников СО РАН , град подложка d 1 HgTe d 2 CdTe 1 2 … … … N II I

17 17 Институт физики полупроводников СО РАН Эволюция эллипсометрических параметров и при росте КЯ на основе HgTe. Кривые ОА и ВС – рост широкозонного слоя. АВ - рост КЯ. СД – рост CdTe. Эксперимент – точки, расчет – сплошная линия проходящая через кружки. На вставке показано изменение состава наноструктуры на основе расчета. Схема слоев КЯ на основе узкозонного твердого раствора Cd х Hg 1-х Te (Х CdTe 0,25) Расчет Эксперимент B O D C A B'A' O' C' 0 0,4 0, Толщина, нм d CdTe d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1 d КЯ X CdTe, град. 8 нм - нелегир. 10 нм (легир. In) 5 нм нелегир Cd x Hg Te - КЯ 1-х 5 нм - нелегир. 10nm (легир. In) 8 нм - нелегир. CdTe нм ~40 CdTe/ZnTe/GaAs (013) подложка Cd 0,7 Hg 0,3 Te

18 18 Институт физики полупроводников СО РАН Эволюция эллипсометрических параметров и при росте широкозонного слоя на подложке CdTe (участок ОА) и начало роста узкозонного слоя (участок АВ). Маркеры - экспериментальные значения. Поперечные линии с соответствующими значениями – линии равной толщины для различных составов. Расчетные кривые для роста пленки состава: 1 - Х CdTe = 0,75, 2 - Х CdTe = 0,735, 3 - Х CdTe = 0, , град 35 нм 30 нм 25 нм 20 нм 15 нм 10 нм 32,5 нм Cd 0,735 Hg 0,265 Te B O A 1 2 3, град

19 19 Изменение толщины после травления контролировалась по величине сдвига интерференционных максимумов в спектре пропускания в области волновых чисел = см -1. Точность Фурье-спектрометра, не хуже 0,01 см -1. Положение интерференционных максимумов описывается соотношением 2nd = m 10 4 /, где n – показатель преломления, d – толщина в мкм, m – порядок максимума, - волновое число в см -1. Изменение толщины CdTe на 1 нм соответствует сдвигу интерференционной картины на 0,3 см -1. Исходная толщина слоя CdTe с выращенной КЯ для структуры 221 равна 5486,8 нм (расчет производился для показателя преломления 2.8) – черная кривая. При удалении слоя толщиной 31,9 нм происходит сдвиг интерференционных максимумов - красная кривая с d=5454,9 нм. При последующем удалении 24,9 нм – синяя кривая с d=5430,0 нм. Из рисунка хорошо видно, что точность определения удаленного слоя не хуже, чем 0,1 нм Волновое число, см -1 Пропускание, % d=5454,9 нм d=5430,0 нм d=5486,8 нм

20 Спектры отражения для образца исходное состояние поверхности 1- после удаления структуры КРТ с квантовыми ямами 2 - после удаления 32 нм, 3 - после удаления 57 нм, 4 – после удаления 89 нм. Институт физики полупроводников СО РАН R, отн. ед 3,53,02,52,02,0 Е, эВ E 1 (3,31 эВ) E (3,37 эВ) E (2,76 эВ) E 1 (2,75 эВ) E 1 (2,11 эВ) E 1 (2,66 эВ) E (3,27 эВ)

21 21 Институт физики полупроводников СО РАН Распределение состава, Структуры КЯ Синие кружки – измерения спектров отражения Спектры отражения вблизи переходов E 1 и Е 1 + для объемного HgTe, исходной структуры представленной на левом рисунке, после химического удаления 60 нм и 70 нм.

22 22 Результаты измерения толщины и состава для выращенных КЯ Институт физики полупроводников СО РАН Состав широкозонного слоя, X CdTe Состав КЯ, Х КЯ CdTe d 1, нм d 2, d 3, d, КЯ нм d 4, d 5, d 6, d CdTe, нм Отр X КЯ Конц *10 11 см -2 Подв 10 4 см 2 / Вс 0,730,060, ,310,220,39,110,28, ,790,240, ,414,38,812,57,514,74,8 34 0, ,700,160,7220 8,810,99,810,510127, ,6 8,6 0,720,110, ,113,911,416,212,415,65,0 44 0, ,680,030, ,16,411,218,48,69,55,0 46 0,00 2,2 35 0,70,060, ,612,811,321,78,010,04, ,5 24 Состав широкозонного слоя, X CdTe

23 23 Холловская структура: 100 мкм 50 мкм 250 мкм 100 мкм Институт физики полупроводников СО РАН

24 24 III. Два типа фазовых переходов: КХЖ КХЖ КХД II. Состояния ДЭГ в режиме КЭХ: Квантово-холльная жидкость T 0: xx 0, xx 0 Квантово-холльный диэлектрик T 0: xx, xx 0 Критические точки xx =const и xx =const (не зависят от T) Локализованные состояния Делокализованное состояние - единственное для каждого уровня Ландау IV. Скейлинговые модели: Предсказывают универсальное поведение параметров двумерной системы вблизи критического поля Bc для фазовых переходов КХЖ- КХЖ и КХЖ-КХД. I. Состояния электронов: = 1 = 2 = 3 < 1 BcBc 1/B Плотность состояний Институт физики полупроводников СО РАН

25 25 Институт физики полупроводников СО РАН

26 26 =2 210 Å T=0.3 3 K BcBc 1 0 BcBc 2 1 =1 < 1 Зависимость продольного ( xx ) и холловского ( xy ) сопротивлений от магнитного поля для двумерного электронного газа в квантовой яме толщиной 21 нм. Вc = 10,9 T, xx=0,9h/e 2 В квантовых ямах толщиной 21,0 нм получены подвижности µe=2×10 5 см2/В с для концентрации электронов Ns=1,5×10 11 см-2 и для КЯ толщиной 16,2 нм получена подвижность µe=5×10 5 см2/В с для концентрации электронов Ns=3,5×10 11 см-2, что свидетельствует о высоком качестве КЯ. Институт физики полупроводников СО РАН

27 27 Институт физики полупроводников СО РАН ДВУМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНАЯ СИСТЕМА Знакопеременный эффект Холла обусловлен электро- нами и дырками (расчет): n s =4,1×10 10 см -2 ; µn=5,9×10 5 см 2 /В×с Подвижность совпадает с рекордными значениями для электронных КЯ p s = 1.3×10 11 см -2, µp= 6.6×10 4 см 2 /В×с совпадают с значениями для дырочных КЯ (K. Orther, …Phys.Rev. B, 66, (2002))

28 28 Институт физики полупроводников СО РАН М.В. Якунин

29 29 Институт физики полупроводников СО РАН М.В. Якунин А.В. Суслов И.Л. Дричко

30 #A 2182 #B 2181 #A 6221 #B Trig out (unused) Pulse Generator #a Pulse Generator #b Trigger out I+AI+A U Hall + U Hall - I-AI-A UL-UL- UL+UL+ External Trig Pulse out: ~10ms delay TTL, neg., 10 s Trigger in Trig in External Trig Pulse out: ~10ms delay TTL, negative, 10 s Trig out (unused) to extra 2181, if any to extra 6221, if any RS-232 Институт физики полупроводников СО РАН

31 31 Институт физики полупроводников СО РАН Установка позволяет проводить измерения нескольких напряжений, вызванных одним и тем же током, не только в режиме Дельта моды, когда ток через образец имеет форму меандра, но и в режиме импульсной Дельта моды, когда положительный и отрицательный ток подаются в виде короткого импульса (схематично представлено в верхнем левом углу графика). Такие измерения бывают важны при низких температурах, чтобы избежать перегрева образца. Образец HgTe использовался для тестирования установки в режиме импульсноых измерений и результаты представлены на графике. Кривые сдвинуты по вертикали для наглядности.

32 32 Институт физики полупроводников СО РАН

33 33 ЦФГЭ наблюдается при нормальном падении. Tок появляется в двух перпендикулярных направлениях. В зависимости от длины волны света и/или температуры зависимость фотока может описываться как J i = J 0 sin 2 P circ JyJy JxJx Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany

34 34 Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany

35 35 Изменение температуры приводит к независимому изменению направления и величины ЦФГЭ в ТГц диапазоне – в противоположность к (001)-ориентированным структурам, где ток возникает только в направлении, перпендикулярном плоскости падения. JxJx JyJy Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany

36 36 Terahertz Center University of Regensburg. Germany Спектры ЦФГЭ: (013)-КЯ ИК: В диапазоне 10÷15 мкм сигнал практически не зависит от прямые переходы. TГц: из-за низкой симметрии структуры компоненты тензоры гирации независимы ЦФГЭ при различных длинах волн имеет произвольное направление и произвольную величину J CPGE /P (nA/W) 1 QW J CPGE /P (nA/W) ( m) 30 QWs JyJy JxJx JxJx JyJy Институт физики полупроводников СО РАН

37 HgTe QW 300 K Временное разрешение (FELIX): 3 пс импульс ответ ~ 100 пс полоса нашей электроники. Реальный временной отклик определяется временем релаксации импульса p ( p ~ 0.3 пс при 300 K). Большой динамический диапазон: детектор линеен от ~10 мВт (cw лазер) до мощных лазерных импульсов до 9 порядков мощности (до 20 МВт/см 2 ). Быстродействующий детектор поляризации лазерного излучения при комнатной температуре в спектральном диапазоне от ИК до ТГц с субнаносекундным временным разрешением для исследований плазмы, газов, твердых тел, биологических тканей и т.д.

38 38 Институт физики полупроводников СО РАН In situ контролируемоt выращивание HgTe КЯ с градиентами составов Расчетная зависимость изменения эллипсометрических параметров, при росте КЯ с градиентным изменением состава, показанным на вставке к рисунку. Участки с градиентом состава ВС и DE трудно идентифицировать при реальном росте Расчетная зависимость изменения эллипсометрических параметров, при росте КЯ с градиентным изменением состава, показанным на вставке к рисунку. Предлагается контролировать изменение производной d /d. Участки с градиентом состава ВС и DE легко определяются

39 39 Институт физики полупроводников СО РАН Выращивание КЯ с градиентами составов Изменения эллипсометрических параметров, при росте КЯ с градиентным изменением состава, показанным на вставке к рисунку. Предлагается контролировать изменение производной d /d. Участки с градиентом состава СD легко определяются

40 40 Разработана методика и выращиваны симметричных и ассиметричных одиночных и множественных квантовых ям на основе твердых растворов Cd х Hg 1-х Te с составами в диапазоне 0 - 0,25 молярных долей CdTe, толщиной от 10, нм на подложках (013)CdTe/ZnTe/GaAs с прецизионным in situ эллипсометрическим контролем толщины и состава в процессе роста. Точность определения состава и толщины нанослоев составили X CdTe 0,002 и 0,5 нм соответственно. В квантовых ямах HgTe наблюдается: двумерный высокоподвижный электронный газ с подвижностями более см 2 /В с; двухмерная электронно- дырочная система; g-фактор достигает величин для B и 10 для B ||. Квантовые ямы HgTe применены для разработки стенда измерений постоянного тока при низких температурах и сильных магнитных полях В квантовых ямах HgTe наблюдается большой фотогальванический эффект к циркулярно-поляризованному и линейно-поляризованному излучению при комнатной температуре с чувствительностью в инфракрасном и терагерцовом спектрах. Создан детектор с субнаносекундным разрешением. Планируется: Планируется проведение дальнейших исследований магнитотранспортных свойств и фотогальванического эффекта Планируется проведение исследований оптических свойств выращенных структур Планируется выращивание и исследвание прмозонных и инверстных квантовых ям и сверхрешеток Ждем Ваших предложений и приглашаем к сотрудничеству Выводы Институт физики полупроводников СО РАН

41 41 М.В. Якунин, С.М. Подгорных Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург С.A. Дричко, И.Ю. Смирнов ФТИ им. Иоффе, С.-Петербург А.В. Суслов National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee FL С. Данилов, С.Д. Ганичев Terahertz Zentrum, Universität Regensburg, Germany N.Q. Vinh, A.F.G. van der Meer FOM-Instituut voor Plasmafysica «Rijnhuizen», Nieuwegein, The Netherlands B. Murdin,. Литвиненко UИнститут физики микроструктур, Н.-Новгород Институт физики полупроводников СО РАН СПАСИБО ЗА СОТРУДНИЧЕСТВО

42 42