Явища переносу в квантово-розмірних гетероструктурах на основі елементів III-V груп

В розділі 8 представлені результати практичного застосування квантово-розмірних гетероструктур та розробки генераторів надвисокої частоти. Активність досліджень у цій області є досить високою. Це викликано як фундаментальністю квантових ефектів, які відбуваються при резонансному тунелюванні між станами зі зниженою розмірністю, так і значними перспективами використання низьковимірних явищ у приладобудуванні. Важливим напрямком практичного застосування є використання області від'ємної диференційної провідності (ВДП) у двобар'єрному резонансно-тунельному діоді як для отримання генераторів високої частоти, так і для створення швидкодіючих перемикачів. Так, ВДП дозволяє розробку генераторів електромагнітних хвиль на будь-якій частоті (до ТГц діапазону включно), заданій RC навантажуючого ланцюга. Нині ДБРТД дозволяють реалізувати найшвидші електронні прилади. Енергетична ширина, , пропускання резонансно-тунельного піка визначає час затримки власного резонатора ДБРТД: , що дає час 10^-12 с. Таким чином, перемикачі з пікосекундним часом перемикання можуть бути реалізовані на основі ДБРТД. Показано, що ДБРТД на основі AlGaN/GaN сполук завдяки широкій забороненій зоні мають високу стабільність хімічного зв'язку і можуть використовуватися у високопотужних системах мікро- та оптоелектроніки, що працюють в екстремальних умовах.

Іншим важливим практичним застосуванням є розроблений та досліджений повністю кріогенний осцилятор, який включає сапфіровий частотно-підстроюваний резонатор, високотемпературний надпровідниковий фільтр та HEMT підсилювач для K-зони частот, що використовуються у супутниковому зв'язку. Продемонстровано надзвичайно низький рівень фазового шуму HEMT 23 ГГц підсилювача, що відповідає ~ -133дБc/Гц при 1 кГц частоті від несучої. Цей рівень шуму перетворюється в фазовий шум осцилятора менший за -118 дБc/Гц при 1 кГц частоті від несучої у випадку сапфірового резонатора, що працює на основі високодобротної моди шепочучої галереї. Ця величина на 20 дБc/Гц менша рівня фазового шуму комерційних частотно-стабілізованих кварцових осциляторів для аналогічної частоти, що задає меншу смугу пропускання високочастотного сигналу. Таке покращення, як очікується, дозволить підвищити густину передачі інформації за одиницю часу, підвищити якість та швидкість мікрохвильового зв'язку.

Додатково до низького рівня фазового шуму, наш прототип осцилятора дає можливість механічної (~ 50 кГц) та електронної (~ 5 кГц) настройки частоти. Цей діапазон є достатнім для наладки фази осцилятора та компенсації її зміни з температурою.

Застосування AlGaN/GaN гетероструктур завдяки впровадженню нової бездомішкової технології отримання двомірного газу з використанням поляризаційних ефектів та більшої на порядок потужності дозволило понизити, що найменше, на порядок рівень фазового шуму. Виготовлений у вигляді друкованих мікрохвильових інтегральних схем (MMIC) осцилятор демонструє низький рівень шуму ( -105 дБc/Гц при частоті 100 кГц від несучої 9.35 ГГц ). Цей рівень шуму (рис. 9б) є на 10 дБc/Гц нижчий за величини шуму, що демонструють сучасні мініатюрні комерційні осцилятори. Осцилятор є компактним (3х3х1 мм³) та не потребує розробки додаткових схемних рішень, що являється великою перевагою в порівнянні із застосуванням інших видів осциляторів, де впроваджено громіздкі схеми фазової компенсації для зниження рівня флуктуації фази.

Основні результати та висновки

1. Встановлено механізми тунелювання в AlGaAs/GaAs двобар'єрних резонансно-тунельних діодах (ДБРТД). В ДБРТД з широким спейсерним шаром виявлена осциляційна поведінка тунельного струму з періодом осциляцій 36-38 мВ та 22-24 мВ в залежності від параметрів структури. Показано, що осциляційна структура є свідченням балістичного транспорту та когерентності електронних хвиль в процесі формування тунельного струму.

2. Запропоновано модель квантової інтерференції тунелюючих електронів. Трансформація осциляційної картини під дією прикладеного перпендикулярно до напряму струму магнітного поля завдяки регулюванню фази когерентності під дією сили Лоренца (фазовий зсув осциляцій змінюється як ~1/В²) є надійним підтвердженням розвинутої моделі.

3. Встановлено, що розвинута модель квантової інтерференції добре пояснює параметри спостереженого ефекту. Для шару товщиною 1 мкм з електронною концентрацією 10¹⁸ см ^-3 та рухливістю носіїв ~ 500 см²/Вс отримано величину опору рівну 0.1 Ом, що зумовлює падіння напруги на цьому шарі на рівні 0.1 мВ. Допускаючи 100% модуляцію падіння напруги, отримано амплітуду зміни струму на ВАХ у діапазоні 0.1 - 1 мкА, що відповідає одержаним експериментальним результатам.

4. Вперше виявлено ефект внутрішньої гігантської бістабільності в ДБРТД з широким спейсерним шаром. На основі аналізу експериментальних досліджень та самоузгодженого розв'язку рівнянь Шредінгера і Пуассона для отримання потенціального профілю структури доведено, що цей ефект зумовлений накопиченням носіїв струму в акумуляційному шарі поблизу активної області ДБРТД.

5. Виявлено особливості формування тунельного струму в ДБРТД, які обумовлені ефектом тунелювання електронів крізь домішкові центри бар'єрного шару. Встановлено їх положення та область локалізації (~ 4 нм), що характерно для донорних станів зв'язаних з X-долиною. Визначено g-фактор для домішкового центра, що дорівнює 0.340.05. Виявлено ефект внутрішньої бістабільності. Одержано швидкість тунелювання (~210⁶ с^-1) та об'ємну концентрацію донорів в бар'єрі (~ 10¹⁶ cм -³). В надвисоких магнітних полях (~ 23 Тл) виявлено ефект підсилення g-фактора двомірних електронів, що для найнижчого рівня Ландау дорівнює 6.6.

6. Виявлено особливості тунельного струму в p-і-n структурах з ДБРТД та вбудованими в область просторового заряду квантовими точками (КТ). Показано, що результати експериментальних досліджень добре узгоджуються з результатами розвинутої теорії квантово-тунельних процесів. Визначено зарядову енергію квантової точки (~ 7меВ) та ємність, що відповідає одній квантовій точці (1х10^-17 Ф). Це визначає середній радіус КТ, що дорівнює ~ 8 нм, який добре узгоджується з латеральними розмірами КТ за даними електронної мікроскопії. Результати дослідження фотопровідності ДБРТД добре узгоджуються з розвинутою моделлю.

7. Вперше виявлено ефект резонансного тунелювання крізь квантово-розмірні стани зв'язаних між собою двох дельта легованих шарів, вбудованих в область просторового заряду p-n переходу. Поява та положення додаткового піка відповідає результатам самоузгодженого розв'язку рівнянь Шредінгера та Пуассона. Аналіз результатів магніто-тунелювання дає оцінку розміру локалізації основного стану тунельно-зв'язаних дельта шарів, <z²>, приблизно рівну 6 нм, що добре узгоджується з технологічними розмірами дельта легованих шарів.

8. Запропоновано метод формування індукованих електричним полем надграток, який полягає в застосуванні ДБРТД, вбудованого в область збіднення зустрічно-штирових контактів Шотткі. Показано, що використання такої комбінованої системи дозволяє контролювати положення резонансно-тунельного піка, який має лінійну залежність від напруги на контактах Шотткі. Встановлено, що ефект дуже чутливий до відстані між контактами Шотткі та розташування ДБРТД відносно них. Отримано добре узгодження результатів розробленої теоретичної моделі та експерименту.

9. Вперше досліджено окремо внесок ефекту джоулевого розігріву та ефектів гарячих носіїв заряду до виявленої нелінійності ВАХ AlGaN/GaN гетероструктури з омічними контактами. Виявлено, що рівень розігріву каналу гетероструктури залежить від відстані між контактами. Встановлено, що при електричному полі 8 кВ/cм температура зростає на 27 K при P_dis = 0.64 Вт/мм для довжини каналу L = 1 мкм та на 144 K при P_dis = 6 Вт/мм для L = 25 мкм. Ефект саморозігріву приводить до зниження струму на 14% та 51% для 1 мкм та 25 мкм довжин провідних каналів, відповідно. Для каналу 25 мкм це також зумовлює появу нахилу з від'ємною диференційною провідністю.

10. Встановлено внесок поверхневих станів пасивованої області у флуктуаційні ефекти 2D-каналу AlGaN/GaN гетероструктури. Оцінка параметра Хоуге для активної (під затвором транзистора, = 1.5x10^-4) та пасивної (поза затвором, = 2х 10^-3) області дозволила встановити просторовий розподіл джерел шуму в каналі польового транзистора на основі AlGaN/GaN гетероструктури.

11. Встановлено діапазони напруг з різними залежностями шуму від напруги на нанозатворі, що дозволяє контрольовано отримувати умови для зниження рівня шуму завдяки динамічному перерозподілу потенціалу по довжині каналу структури. Встановлено, що в залежності від співвідношень опорів активної (R_a) та пасивної (R_p) областей, а також рівня шуму активної (S_Ra ) та пасивної (S_Rp) областей, закон поведінки рівня шуму на окремих ділянках ВАХ має оберненопропорційну залежність від напруги на затворі: , чи .

12. Вперше досліджено формування тунельного струму в ДБРТД на основі галій-нітридних гетероструктур. Встановлено, що асиметрія вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик структур зумовлена впливом поляризаційних ефектів, що змінюють потенціальний профіль структури та умови для резонансного тунелювання.

13. Вперше продемонстровано найнижчий рівень фазового шуму у вільноколивному осциляторі, розробленому на основі як AlGaAs/GaAs гетероструктур ( -118 дБc/Гц при частоті 1 кГц від 23 ГГц несучої; ця величина на 20 дБc/Гц менша рівня фазового шуму комерційних частотно-стабілізованих кварцових осциляторів), так і AlGaN/GaN гетероструктур ( -105 дБc/Гц при 100 кГц частоті від несучої 9.35 ГГц та низький фактор конверсії низькочастотного шуму у високочастотний ~15 МГц/В; цей рівень шуму на 10 дБc/Гц нижче за величини шуму, що демонструють сучасні мініатюрні комерційні осцилятори).

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

1. Беляєв А.Е., Витусевич С.А., Конакова Р.В., Кравченко Л.Н., Ильин И.Ю. Поперечный электронный транспорт в резонансно-туннельных структурах с двумерным электронным газом // Физика и техника полупроводников. 1995. Т.29, N 2. С. 349-356.

2. Беляєв А.Е., Витусевич С.А., Конакова Р.В., Фигельский Т., Макоса А., Вошинский Т., Кравченко Л.Н. Осцилляции туннельного тока в GaAs/AlAs двухбарьерной гетероструктуре // Письма в ЖЭТФ.1994.Т.60, N 6. С. 403-405.

3. Vitusevich S.A., Figielski T., Makosa A., Wosinski T., Belyaev A.E., Konakova R.V., Kravchenko L.N. Fine structure of resonant-tunneling peak in GaAs/AlAs double-barrier heterostructure // Acta Physica Polonica A.1995.V. 87, N 2. Р. 377-380.

4. Figielski T., Vitusevich S.A., Makosa A., Dobrowolski W., Belyaev A.E., Wosinski T., Konakova R.V., Kravchenko L.N. Oscillatory and magneto-oscillatory structure of the tunnel current in double-barrier heterostructures // Solid State Commun.1995.V. 94, N 2. Р. 93-98.

5. Беляєв А.Е., Витусевич С.А., Конакова Р.В., Ильин И.Ю. Кравченко Л.Н., Соловьев Е.А. Деградация параметров многослойной квантовой гетероструктуры под действием гамма радиации // Труды 5-й Международной конференции “Последние достижения в микроволновой технологии”. -Сімферополь (Україна). 1995. С. 63-66.

6. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Makosa A., Dobrowolski W. Effect of magnetic field on fine structure of tunnel current in double-barrier resonant-tunneling devices // Acta Physica Polonica A.1995.V. 88, N 4. Р. 675-678.

7. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Figielski T., Glavin B., Konakova R.V., Kravchenko L.N., Makosa A., Wosinski T. Effect of spacer layer on quantum interference in double barrier resonant tunneling structures // Surface Sci.1996.V.361/362. P. 235-238.

8. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Konakova R.V., Figielski T., Dobrowolski W., Makosa A., Kravchenko L.N. Intrinsic bistability study of AlAs/GaAs resonant tunneling diode // Proc. 3d. Int. Workshop on MBE.Bratislava (Slovakia). 1996. P. 86-89.

9. Belyaev A.E., Konakova R.V., Soloviev E.A., Venger E.F., Vitusevich S.A., Tkhorik Yu.A., Il`in I.Yu. Enhanced radiation hardness of tunneling diodes with delta-doping // Proc. 3d. Int. Workshop on MBE.Bratislava (Slovakia). 1996. P. 90-93.

10. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Konakova R.V., Figielski T., Kravchenko L.N. Mechanisms of tunnel current formation in double barrier resonant tunneling structures // in.: Nato ASI, Series E: Advanced devices, Academic Publisher ”Frontiers in nanoscale science of micron/submicron devices”. 1996. V.328. P. 291-294.

11. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Konakova R.V., Figielski T., Dobrowolski W., Makosa A., Kravchenko L.N. Magnetic field induced resonance in a double-barrier resonant tunneling diode // Proc. Int. Conf. "Advanced Semiconductor Devices and Microsystems".Smolenice (Slovakia). 1996. P. 133-136.

12. Figielski T., Wosinski T., Makosa A.,Dobrowolski W., Vitusevich S.A., Belyaev A.E. Magnetically controlled interference of ballistic electrons tunneled throughout the double-barrier resonator // Acta Physica Polonica A.1996.V. 90, N 4. P. 781-784.

13. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Konakova R.V., Dobrowolski W., Makosa A., Kravchenko L.N., Gornev E.S. Tunnel current features caused by defect assisted process in resonant-tunneling structures // Acta Physica Polonica A.1996.V.90, N 4. P. 727-728.

14. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Konakova R.V., Figielski T., Makosa A., Kravchenko L.N., Dobrowolski W. Bistability in double-barrier resonant-tunneling structures with a wide spacer layer // Inorganic Materials. 1997. V.33, N 2. P. 116-119.

15. Figielski T., Wosinski T., Vitusevich S.A., Belyaev A.E., Makosa A., Dobrowolski W. Quantum interference of ballistic electrons transmitted throughout a double-barrier resonant-tunneling structure under perpendicular magnetic field // Sem. Sci. Technol. 1997. V.12, N 1. P. 86-90.

16. Vitusevich S.A., Belyaev A.E., Figielski T., Konakova R.V., Makosa A. Optically controlled tunneling in double-barrier heterostructure AlAs/GaAs // in.: „Physics, chemistry and Application of nanostructures”. World Scientific Publishing. 1997. P. 83-86.

17. Wosinski T., Figielski T., Makosa A., Dobrowolski W., Vitusevich S.A., Belyaev A.E. Quantum-interference oscillations of the resonant-tunneling current in a transverse magnetic field // In book: "High magnetic fields in the physics of semiconductors".World Scientific Publishing. 1997. P. 465-468.

18. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Maude D., Portal J.C. Coherent and sequential tunneling in high magnetic field // Acta Physica Polonica A.1997.V.92, N 4. P. 704-708.

19. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Glavin B.A., Konakova R.V., Fiegielski T., Dobrowolski W., Makosa A., Kravchenko L.N. Magnetic field induced resonance in a double-barrier resonant tunneling diode // Sol. St. Electron. 1998.V.42, N 2. P. 257-261.

20. Vitusevich S.A., Foster A., Indlekofer K.M., Luth H., Belyaev A.E., Konakova R.V. Resonant-tunneling spectroscopy of impurity states in GaAs/ AlAs heterostructures // Proc. of the 24 International Conf. on the Physics of Semiconductirs.Jerusalem (Israel).Singapure: World Scientific Publishing. 1999. 4 p.

21. Belyaev A.A., Belyaev A.E., Konakova R.V., Vitusevich S.A., Milenin V.V., Soloviev E.A., Kravchenko L.N., Figielski T., Wosinski T., Makosa A. Radiation hardness of AlAs/GaAs-based resonant tunneling diodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. V.2, N 1. P. 98-101.

22. Vitusevich S.A., Forster A., Belyaev A.E., Glavin B.A., Indlekofer K.M., Luth H., Konakova R.V. Optically controlled 2D tunnelling in GaAs delta doped p-n junction // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.1999.V.2, N 1. P. 7-10.

23. Podor B., Vitusevich S.A., Badaljan E., Dozsa.L., Belyaeb A.E., Konakova R.V., Tuyen Vo Van, Kravchenko L.N. and Mojzes I. Effect of microwave heat treatment on the properties of GaAlAs/GaAs double-barrier resonant tunnelling diodes // Proc. 10^th MICROCOLL.Budapest (Hungary). 1999. P. 445-448.

24. Vitusevich S.A., Fцrster A., Belyaev A.E., Indlekofer K.M., Lьth H. and Konakova R.V. Resonant tunneling effect in delta doped p-n GaAs junction // Microel. Eng. 1999. V.46, N 1-4. P. 169-172.

25. Vitusevich S.A., Fцrster A., Indlekofer K.M., Lьth H., Belyaev A.E., Glavin B.A., Konakova R.V. Tunneling through X-valley-related impurity states in GaAs/AlAs resonant-tunneling diodes // Phys. Rev. B.2000.V.61, N 16. P. 10898-10904.

26. Vitusevich S.A., Forster.A., Reetz.W, Luth H., Belyaev A.E. and Danylyuk S.V. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Proc. of 8^th Internat. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology".St. Peterburg (Russia). 2000. P. 351-354.

27. Vitusevich S.A., Fцrster A., Reetz W., Lьth H., Belyaev A.E., Danylyuk S.V. Spectral responsivity of single-quantum-well photodetectors // Appl. Phys. Lett.2000.V.77, N 1. P. 16-18.

28. Vitusevich S.A., Fцrster A., Reetz W., Lьth H., Belyaev A.E., Danylyuk S.V.. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Nanotechnology. 2000. V.11. P. 305-308.

29. Belyaev A.E., Boltovets N.S., Konakova R.V., Soloviev E.A., Sheka D.I., Podor B., Badalyan E., Vitusevich S.A. Effect of thermal annealing and high-power microwave radiation on characteristics of combined resonant tunneling structures // Proc. 3^d Intern. Conf. on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ACDAM 2000).Smolenice Castle (Slovakia). 2000. P. 457-460.

30. Беляев А.Е., Ивс Л., Витусевич С.А., Майн П.К., Хенини М., Фёрстер А., Ритц В., Данилюк С.В. Спектры фотоотклика в p-i-n диодах, содержащих квантовые точки // Известия Академии Наук. Серия Физическая. 2002. Т.66, N 2. Р. 190-192.

31. Belyaev A.E., Eaves L., Vitusevich S.A., Main P.C., Henini M., Fцrster A., Klein N., Danylyuk S.V. Combined Sand Z-shaped current bistability induced by charging of quantum dots // Proc. of 25^th Intern. Conf. on the Physics of Semicond. Osaka (Japan). 2000. Part.1.Springer-Verlag: Berlin Heidelberg. 2001. P. 773-774.

32. Vitusevich S., Winter M., Klein N. Cryogenic high-Q microwave resonators for stable oscillators // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2001. V.11, N 3. P. 1195-1198.

33. Vitusevich S., Schieber K., Klein N, Ghosh I.S., Spinnler M. An all-cryogenic low phasenoise hybrid K-band oscillator for satellite communications // Proc. 2001 IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest, May 20-25, Phoenix, Arizona. 2001. V.3. P. 1977-1980.

34. Vitusevich S., Winter M., Klein N. Frequency stable oscillators based on cryogenic whispering gallery resonators // Proc. 4^th Intern. Kharkov Symp. "Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves".Kharkov (Ukraine).2001.V.1.P. 90-95.

35. Vitusevich S.A., Foerster A., Lueth H., Belyaev A.E., Danylyuk S.V., Konakova R.V., Sheka D.I. Resonant spectroscopy of electric-field-induced superlattices // J.Appl.Phys. 2001.V 90, N 6. P. 2857-2861.

36. Klein N., Schuster M., Vitusevich S., Winter M., Yi H.R. Novel dielectric resonator structures for future microwave communication systems // J. European Ceramic Soc. 2001.V. 21. P. 2687-2691.

37. Belyaev A.E., Vitusevich S.A., Eaves L., Main P.C., Henini M., Foerster A., Reetz W., Danylyuk S.V. Photoresponse spectra in a p-i-n diodes containing quantum dots // Nanotechnology. 2002.V.13. P. 94-96.

38. Vitusevich S.A., Fцrster A., Belyaev A.E., Sheka D.I., Lьth H., Klein N., Danylyuk S.V., Konakova R.V. Resonant-tunneling effect in a periodically modulated electrical field // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostrustures. 2002.V. 13, N 2-4. P. 811-814.

39. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V., Klein N., Petrychuk M.V., Sokolov V.N., Kochelap V.A., Belyaev A.E., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Excess low-frequency noise in AlGaN/GaN-based high-electron-mobility transistors // Appl. Phys. Lett.2002.V.80, N 12. P. 2126-2128.

40. Vitusevich S.A., Klein N., Belyaev A.E., Danylyuk S.V., Konakova R.V., Kurakin A.M., Rengevich A.E., Avksentiev A.Yu., Danilchenko B.A., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Radiation hardness of AlGaN/GaN based HEMTs // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2002.V. 719. P. 133-138.

41. Vitusevich S.A., Klein N., Belyaev A.E., Danylyuk S.V., Konakova R.V., Kurakin A.M., Rengevich A.E., Avksentiev A.Yu., Danilchenko B.A., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Effects of gamma irradiation on AlGaN/GaN based HEMTs // Phys. Stat. Sol(a).2003.V. 195, N 1. P. 101-105.

42. Vitusevich S.A., Klein N., Petrychuk M.V., Belyaev A.E., Danylyuk S.V., Konakova R.V., Avksentiev A.Yu., Danilchenko B.A., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Low-frequency noise in AlGaN/GaN high electron mobility transistors irradiated by -Ray quanta // Phys. Stat. Sol.(c). 2002. V.0, N 1. P.78-81.

43. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V, Klein N., Petrychuk M.V., Avksentiev A.Yu., Sokolov V.N., Kochelap V.A., Belyaev A.E., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Two-dimensional electron dynamics in GaN/AlGaN heterostructures // Phys. Stat. Sol.(c).2002.V.0, N 1. P. 401-404.

44. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V, Klein N., Petrychuk M.V., Sokolov V.N., Kochelap V.A., Belyaev A.E., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. The study of excess low-frequency noise sources in nitride-based high-electron-mobility transistors // Proc. 26th Intern. Conf. on the Physics of Semicond.Edinburgh (UK). 2002. P. 171-175.

45. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V, Klein N., Petrychuk M.V., Avksentiev A.Yu., Sokolov V.N., Kochelap V.A., Belyaev A.E., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Separation of hot-electron and self-heating effects in two-diensional AlGaN/GaN-based conductivity channels // Appl. Phys. Lett. 2003.V.82, N 5. P. 748-750.

46. Vitusevich S.A., Schieber K., Ghosh I.S., Klein N., Spinnler M. Design and characterization of all-cryogenic low phase-noise sapphire K-band oscillator for satellite communication // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2003. V.51, N 1. P. 163-169.

47. Danylyuk S.V., Vitusevich S.A., Podor B., Belyaev A.E., Avksentyev A.Yu., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. The investigation of properties of electron transport in AlGaN/GaN heterostructures // Microelectronics Journal. 2003. V.34. P. 575-577.

48. Vitusevich S.A., Petrychuk M.V., Klein N., Danylyuk S.V., Javorka P., Marso M., Kordos P., Lueth H. Peculiarities of low frequency noise in GaN-based high electron mobility transistors // Proc. of the 17^th Intern. Conf. “Noise and Fluctuations ICNF 2003”.Prague (Czechia). 2003. P. 789-792.

49. Vitusevich S.A., Klein N., Belyaev A.E. Noise and phase noise in advanced structures and devices // Proc. of the 17^th Intern. Conf. “Noise and Fluctuations ICNF 2003”. Prague (Czechia). P. 541-546.

50. Vitusevich S.A., Petrychuk M.V., Klein N., Danylyuk S.V., Belyaev A.E., Konakova R.V., Avksentiev A.Yu., Kurakin A.M., Lytvyn P.M., Danilchenko B.A., Tilak V., Smart J., Vertiatchikh A., Eastman L.F. Barrier material improvement in AlGaN/GaN microwave transistors under gamma irradiation treatment // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2003. V. 764. P. 183-188.

51. Kiesslich G., Wacker A., Scholl E., Vitusevich S.A., Belyaev A.E., Danylyuk S.V., Fцrster A., Klein N., Henini M. Nonlinear charging effect of quantum dots in a p-i-n diode // Phys. Rev. B. 2003. V.68. P. 125331.6 p.

52. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V., Danilchenko B.A., Klein N., Zelenskyi S.E., Budnik A.P., Didenko R.V., Avksentyev A.Yu., Sokolov V.N., Lueth H., Kochelap V.A., Belyaev A.E. Hot-electron transport in III-V nitride based two-dimensional gases // Phys. Stat. Sol. (c). 2003.V.0, N 7. P. 2408-2411.

53. Foxon C.T., Novikov S.V., Belyaev A.E., Zhao L.X., Makarovsky O.,Walker D.J., Eaves L., Dykeman R.I., Danylyuk S.V., Vitusevich S.A., Kappers M.J., Barnard J.S., Humphreys C.J. Current-voltage instabilities in GaN/AlGaN resonant tunnelling structures //Phys. Stat. Sol. (c).2003.V.0, N 7. P. 2389-2392.

54. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V., Petrychuk M.V., Antoniuk O.A., Klein N., Belyaev A.E. Equilibrium and non-equilibrium 1/f noise in AlGaN/GaN TLM structures //Appl. Surf. Sci. 2004. V.238, N 1-4. P. 143-146.

55. Belyaev A.E., Foxon C.T., Novikov S.V., Makarovsky O., Eaves O., Kappers M.J., Bernard J.S., Humphreys C.J., Danylyuk S.V., Vitusevich S.A., Naumov A.V. Current instabilities in resonant tunnelling diodes based on GaN/AlN heterojunctions // Semiconduct. Phys., Quntum Electronics&Optoelectron. 2004. V.7, N 2. P. 175-179.

56. Belyaev A.E., Makarovsky O.,Walker D.J., Eaves L., Foxon C.T., Novikov S.V., Zhao L.X., Dykeman R.I., Danylyuk S.V., Vitusevich S.A., Kappers M.J., Barnard J.S., Humphreys C.J. Resonance and current instabilities in AlN/GaN resonant tunnelling diodes // Physica E.2004.V.21, N 2-4. P. 752-755.

57. Vitusevich S.A., Danylyuk S.V., Klein N., Petrychuk M.V., Belyaev A.E. Power and temperature dependence of low frequency noise in AlGaN/GaN transmission line model structures // J. Appl. Phys.2004.V.96, N 10.P. 5421-5423.

58. Danilchenko B.A., Zelensky S.E., Drok E., Vitusevich S.A., Danylyuk S.V., Klein N., Lueth H., Belyaev A.E., Kochelap V.A. Hot electron transport in AlGaN/GaN two-dimensional conducting channels // Appl. Phys. Lett.2004.V. 96, N 10. P. 5625-5630.

59. Vitusevich S.A., Petrychuk M.V., Danylyuk S.V., Kurakin A.M., Klein N., Belyaev A.E. Influence of surface passivation on low-frequency noise properties of AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures // Phys. Stat. Sol(a). 2005. V. 202, N 5.P. 816-819.

60. Vitusevich S. A., Danylyuk S. V., Kurakin A. M., Klein N., and Lьth H., Petrychuk M. V., Belyaev A. E. Dynamic redistribution of the electric field of the channel in AlGaN/GaN high electron mobility transistor with nanometer-scale gate length // Appl. Phys. Lett. 2005. V.87, N 19. P. 192110.3.

61. Danylyuk S.V., Vitusevich S.A., Kaper V., Tilak V., Klein N., Eastman L.F. and Shealy J.R.. Phase noise study of AlGaN/GaN HEMT X-band oscillator // Phys. Stat.Sol.(c). 2005. V.2, N 7. P. 2615-2618.

Анотація

Вітусевич С.А. „Явища переносу в квантово-розмірних гетероструктурах на основі елементів III-V груп“. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Е. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006 р.

Встановлено механізми тунелювання в двобар'єрних резонансно-тунельних діодах (ДБРТД) з широким спейсерним шаром. Виявлені осциляції струму та ефект власної бістабільності добре узгоджуються з запропонованою теоретичною моделлю квантової інтерференції. Досліджено механізми модифікації транспортних явищ ДБРТД під дією напруги, індукованої електричним полем надгратки. Встановлена кореляція між електрофізичними, оптичними, технологічними параметрами та вивченими квантово-розмірними ефектами в p-n діоді з двома зв'язаними дельта легованими шарами. Вивчено особливості явищ переносу p-n діода з двобар'єрною структурою, в ямі якої самоузгоджено сформовані квантові точки. Встановлено механізми формування осциляційної структури та бістабільності як S-, так і Z-виду, які добре описуються в рамках запропонованої теоретичної моделі. Визначено окремо вплив ефектів на гарячих носіях струму та саморозігріву зразка під дією ефекту Джоуля на транспортні явища у AlGaN/GaN гетероструктурі. Продемонстровано найнижчий рівень фазового шуму у розроблених нових видах високочастотних осциляторів (23 ГГц та 10 ГГц) порівняно з рівнями фазового шуму комерційних осциляторів.

Ключові слова: двобар'єрний резонансно-тунельний діод, AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN, квантові точки, ефект власної бістабільності, квантово-розмірні ефекти, радіаційна стійкість, 1/f шум, фазовий шум.

Abstract

Vitusevich S.A. “Transport phenomena in quntum-sized heterostructures based on III-V group elements”. - Manuscript.

Thesis for a doctor science degree of physics and mathematics in speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. V. Lashkarov Institute of Semiconductor Physics of Ukrainian National Academy of Science, Kyiv, 2006.

Mechanisms of tunneling in AlGaAs/GaAs double-barrier resonant tunneling diodes (DBRTD) with wide spacer layer have been established. A theoretical model of observed for the first time fine oscillating structure and effect of intrinsic bistability were found to be in a good agreement with developed theoretical model of quantum interference. The technology of DBRTD with field-induced superlattices have been developed. Modification of transport mechanisms at decreasing dimensionality by increase of the superlattice voltage was investigated and analyzed. The correlation between electrophysical, optical and design-technological parameters and quantum-sized effects are established in GaAs-based p-n diodes with two coupled delta layers. Fine oscillating current, S- and Z-types bistability of p-n diode with double barrier structure containing quantum dots layer were revealed. Experimental and theoretical results are in a good agreement. Advantages of GaN-based heterostructures for different micro- and nanoelectronic devices were considered on the basic of complex research of their electro-physical properties. The role of hot carrier and Juole self-heating effects on transport phenomena in AlGaN/GaN high electron mobility transistor structure have been determined separately. New types of high frequency oscillators for satellite application have been designed, investigated and their advanced characteristics have been demonstrated.

Key words: double-barrier resonant-tunneling diode, AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN, quantum dots, intrinsic bistability, quntum-sized effects, radiation hardness, 1/f noise, phase noise.

Аннотация

Витусевич С.А. „Явления переноса в квантово-размерных гетероструктурах на основе элементов III-V групп“. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарёва НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена разработке физико-технологических основ получения квантово-размерных структур на основе соединений элементов III-V групп и исследованию их свойств. Представлены результаты комплексных исследований механизмов транспорта в широком диапазоне температур (от 300К до 30 мК) и их модификации под действием внешнего магнитного поля (вплоть до 23 Тл), гамма излучения, оптического воздействия, а также индуцированной электрическим полем сверхрешетки. Интерес к подобного рода исследованиям вызван поиском новых квантово-размерных эффектов для создания многофункциональных приборов экстремальной электроники (радиационностойких в условиях космического пространства, высокомощностных для передачи сигналов на большие расстояния и оптимальных с точки зрения использования энергосберегающих технологий).

В работе изучены механизмы транспорта резонансно-туннельного диода с широким спейсерным слоем. Впервые наблюдалась осцилляционная картина в туннельном токе ДБРТД. Показано, что разработанная теоретическая модель хорошо описывает механизмы когерентного туннелирования и наблюдения осцилляционной картины, а также механизмы туннелирования носителей заряда из аккумуляционного слоя, где они накапливаются после рассеяния и потери фазы когерентности. Достоверность полученных результатов основана на всестороннем использовании различных методик, включая внешние воздействия. Так, в перпендикулярном направлении магнитного поля к направлению туннельного тока, когда изменение фазы электронной волны контролировалось под действием силы Лоренца, наблюдалось затухание осцилляционной картины туннельного тока с последующим появлением новой серии осцилляций при выполнении условия когерентности фазы в соответствующем магнитном поле. Результаты оптических исследований наряду с подтверждением энергетической структуры уровней в резонансно-туннельном диоде позволили установить ряд особенностей явлений переноса. Так установлен вклад в фототок носителей прямо возбужденных светом в квантовую яму и носителей, которые туннелируют в квантовую яму с квантово-размерного уровня аккумуляционного слоя. Высокая фоточувствительность ДБРТД обусловлена усилением фототока за счет еффекта резонансного туннелирования, что открывает новые возможности повышения эффективности фотодетектирования сигнала. Дальнейшие исследования резонансно-туннельных токов в области малых напряжении позволили провести спектроскопию примесных уровней исследуемой структуры. Установлены механизмы туннелирования в структурах пониженной размерности, как за счет самоорганизованного выращивания квантовых точек в яме резонансно-туннельного диода, так и за счет формирования двух связанных дельта слоев с квантово-размерными уровнями, а также наведенной электрическим полем сверхрешетки. В частности, в структуре первого типа удалось наблюдать сразу два типа внутренней бистабильности как S-, так и Z-типа обусловленных заполнением электронных и дырочных типов уровней квантовых точек, накоплением разноименных зарядов и возникновением рекомбинационных токов. Заполнение этих уровней при последовательном туннелировании электронов обусловило наблюдение осцилляций в туннельном токе на вольт-амперной характеристике. Установлена корреляция между электрофизическими, оптическими и технологическими параметрами и изучены квантово-размерные эффекты, возникающие в структуре на основе GaAs p-n диода с двумя связанными дельта слоями. Исследованы и проанализированы механизмы модификации транспорта под действием наведенной электрическим полем сверхрешетки, установлены пути оптимизации структуры. На основе комплексных исследовании электрофизических свойств проанализированы преимущества AlGaN/GaN гетероструктур для использования в приборах микро- и наноэлектроники. Установлена природа сублинейных вольт-амперных характеристик высокополевых AlGaN/GaN транзисторных структур с омическими контактами. Применение импульсной методики позволило раздельно изучить роль эффектов на горячих носителях и эффекта джоулевого саморазогрева носителей на транспортные свойства нитридных гетеросруктур. Разработаны и изучены свойства высокочастотных осцилляторов новых типов для использования в системах спутниковой связи, а также продемонстрированы их преимущества по сравнению с имеющимися осцилляторами. Так, продемонстрирован наименьший уровень фазового шума осциллятора, разработанного на основе AlGaAs/GaAs гетегоструктуры (-118 дБc/Гц при частоте 1 кГц от 23 ГГц несущей). Эта величина на 20 дБc/Гц ниже уровня фазового шума коммерческих частотно-стабилизованных кварцевых осцилляторов. Также продемонстрирован осциллятор выполненный в виде печатных микроволновых интегральных схем на основе AlGaN/GaN з уровнем шума -105 дБc/Гц при 100 кГц частоте от несущей 9.35 ГГц с низким фактором конверсии низкочастотного шума в высокочастотный ( ~ 15 МГц/В). Эта величина на 10 дБc/Гц ниже уровня шума миниатюрных коммерческих осцилляторов.

Kлючевые слова: двухбарьерный резонансно-туннельный диод, AlGaAs/GaAs AlGaN/GaN, квантовые точки, эффект собственной бистабильности, квантово-размерные эффекты, радиационная стойкость, 1/f шум, фазовый шум.

Размещено на Allbest.ru