ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-6-1092-1097ntv-316Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESНахождение распределения электронов в сверхрешетках AlGaAs/GaAs с узкими барьерами методом вольт-фарадного профилированияDetermination of the electron distribution in thin barrier AlGaAs/GaAs superlattices by capacitance-voltage profilinghttps://orcid.org/0000-0002-0349-7134ВасильковаЕ. И.VasilkovaE. I.

Василькова Елена Игоревна – инженер

Санкт-Петербург, 194021

sc 57433507900

Elena I. Vasilkova – Engineer

Saint Petersburg, 194021

sc 57433507900

elenvasilkov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7186-3768ПироговЕ. В.PirogovE. V.

Пирогов Евгений Викторович – младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 194021

sc 24468711600

Evgeny V. Pirogov – Junior Researcher

Saint Petersburg, 194021

sc 24468711600

zzzavr@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8629-2064СоболевМ. С.SobolevM. S.

Соболев Максим Сергеевич – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, заведующий лабораторией

Санкт-Петербург, 194021

sc 57205203666

Maxim S. Sobolev – PhD (Physics & Mathematics), ScientificResearcher, Head of Laboratory

Saint Petersburg, 194021

sc 57205203666

sobolevsms@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4894-6503БарановА. И.BaranovA. I.

Баранов Артем Игоревич – кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 194021

sc 57195761820

Artem I. Baranov – PhD (Physics & Mathematics), Junior Researcher

Saint Petersburg, 194021

sc 57195761820

itiomchik@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7632-3194ГудовскихА. С.GudovskikhA. S.

Гудовских Александр Сергеевич – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник; профессор

Санкт-Петербург, 194021;

Санкт-Петербург, 197022

sc 6602958574

Alexander S. Gudovskikh – D. Sc., Leading Researcher; Professor

Saint Petersburg, 194021;

Saint Petersburg, 197022

sc 6602958574

gudovskikh@spbau.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7432-2091БуравлевА. Д.BouravleuvA. D.

Буравлев Алексей Дмитриевич – доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией; профессор; ведущий научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197022;

Санкт-Петербург, 194044;

Санкт-Петербург, 198095

sc 6603227351

Alexei D. Bouravleuv – D. Sc. (Physics & Mathematics), Head of Laboratory; Professor; Leading Researcher

Saint Petersburg, 197022;

Saint Petersburg, 194044;

Saint Petersburg, 198095

bour@mail.ioffe.ruСанкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет им. Ж.И. Алферова РАНРоссияAlferov Saint Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСанкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет им. Ж.И. Алферова РАН; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина)РоссияAlferov Saint Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI»Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина); Университет при МПА ЕврАзЭС; Институт аналитического приборостроения РАНРоссияSaint Petersburg Electrotechnical University «LETI»; University under the Inter-Parliamentary Assembly of EurAsEC; Institute for Analytical Instrumentation of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20221812202422610921097Copyright © Василькова Е.И., Пирогов Е.В., Соболев М.С., Баранов А.И., Гудовских А.С., Буравлев А.Д., 20242024Василькова Е.И., Пирогов Е.В., Соболев М.С., Баранов А.И., Гудовских А.С., Буравлев А.Д.Vasilkova E.I., Pirogov E.V., Sobolev M.S., Baranov A.I., Gudovskikh A.S., Bouravleuv A.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/316Предмет исследования

Предмет исследования. Исследовано распределение концентрации электронов в однородно легированных кремнием сверхрешетках AlGaAs/GaAs с толщинами слоев 1,5/10 нм и различным количеством квантовых ям.

Метод

Метод. Структуры с одинаковыми параметрами слоев и уровнем легирования, содержащие 3, 5 и 25 периодов, выращены на установке молекулярно-пучковой эпитаксии. Профили концентрации носителей в структурах определены методом вольт-фарадного профилирования экспериментально и с помощью численного моделирования.

Основные результаты

Основные результаты. В результате анализа экспериментальных вольт-фарадных характеристик получено, что концентрация носителей заряда растет с увеличением числа квантовых ям от 7,1∙1016 см–3 (для трех ям) до 9,2∙1016 см–3 (для 25-ти ям) при уровне легирования 1017 см–3. На профилях концентрации у части образцов наблюдаются плоские участки насыщения в областях, соответствующих сверхрешетке. Концентрации, полученные из компьютерного моделирования, соответствуют экспериментальным данным с точностью в пределах 10 %. Практическая значимость. Вольт-фарадное профилирование позволило определить профиль концентрации носителей по глубине в сверхрешетках с узкими барьерами. Несмотря на то, что метод дает представление о распределении «кажущейся» концентрации носителей, его можно использовать для оценки характера распределения легирующей примеси в гетероструктурах с сильно связанными квантовыми ямами.

Electron density distribution in uniformly doped AlGaAs/GaAs superlattices with respective layer thicknesses 1.5/10 nm and a different number of quantum wells was investigated. Experimental samples containing 3, 5 and 25 periods with the same layer parameters were grown by molecular beam epitaxy. Capacitance-voltage profiling was used to determine the carrier concentration profiles in the structures both numerically and experimentally. During the analysis of experimental capacitance-voltage characteristics it was found that the maximum electron concentration increases with an increase in the number of quantum wells starting from 7,1∙1016 сm–3 for 3 wells up to 9,2∙1016 сm–3 for 25 wells with overall superlattice doping level of 1017 сm–3. In some samples saturation areas are observed on the concentration profiles, that are associated with the region of superlattice. Concentration values, obtained from computer modeling, correspond to the experimental data with an error of less than 10 %. Capacitance-voltage profiling is a suitable technique for determining the carrier concentration profiles in thin barrier superlattices. Despite the fact that the method provides distribution of the «apparent» carrier concentration profile, it can be used to estimate the dopant atoms distribution in the strongly coupled quantum well heterostructures.

вольт-фарадное профилированиесверхрешетки AlGaAs/GaAsраспределение носителеймолекулярно-пучковая эпитаксияcapacitance-voltage profilingAlGaAs/GaAs superlatticesmolecular beam epitaxyРабота частично поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации (FSRM-2020-0008) и Российским фондом фундаментальных исследований (19-29-12053).The work was partly supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (FSRM-2020-0008) and the Russian Foundation for Basic Research (RFBR) (19-29-12053).ReferencesDel Alamo J.A. Nanometre-scale electronics with III–V compound semiconductors // Nature. 2011. V. 479. N 7373. P. 317–323. https://doi.org/10.1038/nature10677Del Alamo J.A. Nanometre-scale electronics with III–V compound semiconductors. Nature, 2011, vol. 479, no. 7373, pp. 317–323. https://doi.org/10.1038/nature10677Fox M., Ispasoiu R. Quantum wells, superlattices, and band-gap engineering // Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Cham: Springer International Publishing, 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_40Fox M., Ispasoiu R. Quantum wells, superlattices, and band-gap engineering. Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Cham, Springer International Publishing, 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_40Goray L., Pirogov E., Sobolev M., Ilkiv I., Dashkov A., Nikitina E., Ubyivovk E., Gerchikov L., Ipatov A., Vainer Y., Svechnikov M., Yunin P., Chkhalo N., Bouravlev A. Matched characterization of super-multiperiod superlattices // Journal of Physics D: Applied Physics. 2020. V. 53. N 45. P. 455103. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aba4d6Goray L., Pirogov E., Sobolev M., Ilkiv I., Dashkov A., Nikitina E., Ubyivovk E., Gerchikov L., Ipatov A., Vainer Y., Svechnikov M., Yunin P., Chkhalo N., Bouravlev A. Matched characterization of super-multiperiod superlattices. Journal of Physics D: Applied Physics, 2020, vol. 53, no. 45, pp. 455103. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aba4d6Мохов Д.В., Березовская Т.Н., Кузьменков А.Г., Малеев Н.А., Тимошнев С.Н., Устинов В.М. Прецизионная калибровка уровня легирования кремнием эпитаксиальных слоев арсенида галлия // Письма в журнал технической физики. 2017. Т. 43. № 19. С. 87–94. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.19.45086.16931Mokhov D.V., Berezovskaya T.N., Kuzmenkov A.G., Maleev N.A., Timoshnev S.N., Ustinov V.M. Precision calibration of the silicon doping level in gallium arsenide epitaxial layers. Technical Physics Letters, 2017, vol. 43, no. 10, pp. 909–911. https://doi.org/10.1134/S1063785017100091Schroder D.K. Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd ed. Piscataway, Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 2015. 800 с.Schroder D.K. Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd ed. Piscataway, Hoboken, NJ, Wiley-IEEE Press, 2015, 800 с.Tschirner B.M., Morier-Genoud F., Martin D., Reinhart F.K. Capacitance-voltage profiling of quantum well structures // Journal of Applied Physics. 1996. V. 79. N 9. P. 7005–7013. https://doi.org/10.1063/1.361466Tschirner B.M., Morier-Genoud F., Martin D., Reinhart F.K. Capacitance-voltage profiling of quantum well structures. Journal of Applied Physics, 1996, vol. 79, no. 9, pp. 7005–7013. https://doi.org/10.1063/1.361466Bobylev B.A., Kovalevskaja T.E., Marchishin I.V., Ovsyuk V.N. Capacitance-voltage profiling of multiquantum well structures // Solid-State Electronics. 1997. V. 41. N 3. P. 481–486. https://doi.org/10.1016/S0038-1101(96)00186-4Bobylev B.A., Kovalevskaja T.E., Marchishin I.V., Ovsyuk V.N. Capacitance-voltage profiling of multiquantum well structures. Solid-State Electronics, 1997, vol. 41, no. 3, pp. 481–486. https://doi.org/10.1016/S0038-1101(96)00186-4Chiquito A.J., Pusep Yu.A., Mergulhão S., Galzerani J.C. Carrier confinement in an ultrathin barrier GaAs/AlAs superlattice probed by capacitance-voltage measurements // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2002. V. 13. N 1. P. 36–42. https://doi.org/10.1016/S1386-9477(01)00222-3Chiquito A.J., Pusep Yu.A., Mergulhão S., Galzerani J.C. Carrier confinement in an ultrathin barrier GaAs/AlAs superlattice probed by capacitance-voltage measurements. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2002, vol. 13, no. 1, pp. 36–42. https://doi.org/10.1016/S1386-9477(01)00222-3Герчиков Л.Г., Дашков А.С., Горай Л.И., Буравлёв А.Д. Разработка дизайна сверхмногопериодных излучающих структур терагерцевого диапазона, выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2021. Т. 160. № 2. С. 197–205. https://doi.org/10.31857/S0044451021080058Gerchikov L.G., Dashkov A.S., Goray L.I., Bouravleuv A.D. Development of the design of super-multiperiod structures grown by molecular-beam epitaxy and emitting in the terahertz range. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2021, vol. 133, no. 2, pp. 161–168. https://doi.org/10.1134/S1063776121070037Varache R., Leendertz C., Gueunier-Farret M.E., Haschke J., Muñoz D., Korte L. Investigation of selective junctions using a newly developed tunnel current model for solar cell applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. V. 141. P. 14–23. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.05.014Varache R., Leendertz C., Gueunier-Farret M.E., Haschke J., Muñoz D., Korte L. Investigation of selective junctions using a newly developed tunnel current model for solar cell applications. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, vol. 141, pp. 14–23. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.05.014

The authors declare that there are no conflicts of interest present.