WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Власов Юрий Николаевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В GaAs И В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Ga2Se3/GaAs

Специальность 01.04.10 - «физика полупроводников»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж – 2012

Работа выполнена в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

Научный БЕЗРЯДИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Официальные БОРМОНТОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет, заведующий кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники РОВИНСКИЙ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ОАО Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка, первый заместитель генерального директора Ведущая Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, организация: г. Санкт-Петербург

Защита состоится 15 марта 2012 г. в 1700 на заседании диссертационного совета Д.212.038.при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1, ВГУ, физический факультет, ауд.428.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «13» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Маршаков Владимир Кириллович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Проблема формирования совершенных границ раздела в гетеростуктурах на основе полупроводника GaAs актуальна в настоящее время. Создание современных оптоэлектронных элементов, приборов «спинтроники» немыслимо без качественной поверхности полупроводника с низкой плотностью поверхностных электронных состояний (ПЭС), малым количеством дефектов вблизи межфазных границ и, соответственно, центров рассеяния и безызлучательной рекомбинации, по энергии расположенных около середины запрещнной зоны полупроводника. Структурные нарушения и высокую плотность дефектов вблизи поверхности GaAs вызывает элементный мышьяк, который выделяется при химическом взаимодействии полупроводника с кислородом воздуха и плнкой собственного оксида, при межфазных реакциях на границах металл- и диэлектрик-GaAs. Для достижения высокого качества гетерограниц был предложен ряд технологических решений, основанных на формировании халькогенидных слов, которые предотвращают окисление и сопутствующее дефектообразование. Обработка поверхности GaAs в халькогенсодержащей среде снижает плотность ПЭС, открепляет уровень Ферми, восстанавливает зависимость высоты барьеров Шоттки от работы выхода нанеснного металла. При нанесении Se на нагретую до температуры выше 300°С поверхность GaAs происходит гетеровалентное замещение мышьяка селеном, причм на поверхности имеют место исключительно связи Ga-Se, а связи As-Se отсутствуют. Мышьяк испаряется с поверхности, покрытой слоем химически инертного материала, изолирующего подложку от атомов кислорода, мышьяка и предотвращающего химические реакции с адсорбатом.

Однако механизма снижения плотности ПЭС до сих пор не установлено. Основная сложность в этом направлении заключена в том, что для каждой границы раздела необходимо детально на атомном уровне разобраться в физико-химической природе поверхностных состояний. Ранее показано, что снижение плотности ПЭС связывается с реконструкцией поверхности GaAs. Известно реконструированное состояние без ПЭС, которое наблюдается на сколотых в сверхвысоком вакууме поверхностях. При адсорбции же атомов металлов, полупроводников, металлоидов и особенно кислорода возникают ПЭС, закрепляющие уровень Ферми. Поэтому вопрос о детальной природе ПЭС и способах их устранения открыт до сих пор.

В результате кратковременной обработки в парах селена в камере квазизамкнутого объма (КЗО) на поверхности GaAs образуется плнка селенида галлия Ga2Se3 толщиной в несколько нанометров, которая снижает плотность ПЭС и защищает поверхность от атмосферного кислорода. В данной работе исследовано влияние таких обработок на электронные состояния GaAs.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка технологии изготовления новых наноразмерных полупроводниковых покрытий для повышения эффективности элементов солнечной энергетики», государственный контракт № 16.516.11.6084 от 08.07.2011г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка научнотехнических основ повышения надежности и долговечности светодиодных световых приборов повышенной мощности в результате реализации новых технических решений по охлаждению светодиодов», государственный контракт № 16.516.11.6098 от 08.07.2011г.

Работа включена в тематический план ГБ НИР «Физико-химические основы формирования наноразмерных гетерофазных систем в процессе гетеровалентного замещения» (№ гос. рег.

1.1.09) и ГБ НИР «Физико-химические процессы в объме и на границе раздела в неоднородных тврдотельных системах» (№ гос. рег. 01960012699) кафедры физики Воронежской государственной технологической академии.

Цель работы: Установление закономерностей образования электронных состояний на поверхности и в области пространственного заряда GaAs до и после обработки в парах Se2.

Основные задачи исследования:

1. Формирование гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из Al и Au на основе GaAs до и после обработки в парах Se2.

2. Выбор и оптимизация методик исследования диодов Шоттки с целью корректного определения параметров глубоких уровней.

3. Исследование поверхностных электронных состояний на реальной поверхности GaAs, полученной в результате химико-динамического полирования (ХДП).

4. Исследование параметров глубоких уровней в обработанном в парах Se2 GaAs на поверхности и в приповерхностной области пространственного заряда (ОПЗ).

Объекты и методы исследования. Исследовались монокристаллические подложки арсенида галлия электронного типа проводимости марки АГЧ-25а <100> толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> А толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> В толщиной (390 ± 5) мкм, а также подложки «под эпитаксию» исходные и обработанные в парах селена. Концентрация носителей заряда для различных подложек варьировалась в пределах от I016см-3 до I018см-3.

Структурно-фазовое состояние гетерограницы контролировалось в просвечивающей электронной микроскопии типа H-800. Электрофизические параметры диодов Шоттки изучались методами вольт-амперных характеристик (ВАХ), высокочастотных вольтфарадных характеристик (ВФХ). Электронные состояния приповерхностной области GaAs изучались методами нестационарной спектроскопии глубоких уровней (мкостной вариант НСГУ) и фотолюминесценции.

Научная новизна. Выбраны оптимальные режимы измерения изотермических релаксаций мкости и значения времн стробирования при последующем построении спектров нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ), что позволило повысить разрешающую способность НСГУ метода и контролировать параметры уровней с близкими значениями постоянной времени эмиссии.

Определено энергетическое положение ПЭС, связанных с избыточным мышьяком и планарной неоднородностью поверхности GaAs. Выявлен механизм образования обоих типов ПЭС в процессе окисления поверхности GaAs кислородом воздуха. Доказана возможность залечивания дефектов, вызывающих эти ПЭС, в процессе отжига в парах селена.

Обнаружены особенности поведения сверхстехиометричного для растущей фазы Ga2Seгаллия – проникновение его в область пространственного заряда GaAs и модификация системы дефектов, сопровождающаяся эффектом компенсации по мере увеличения концентрации глубоких акцепторов, связанных с дефектами перестановки GaAs.

Практическая значимость. В работе определены причины возникновения ПЭС на реальной окисленной поверхности GaAs и изучен механизм их устранения при отжиге поверхности полупроводника в парах селена. Представленные результаты могут быть использованы для получения границ раздела GaAs с малым количеством дефектов.

Обработкой в парах селена может быть достигнута консервация поверхности арсенида галлия в технологии подготовки пластин под эпитаксию за счт ограничения доступа кислорода к поверхности GaAs, приводящего к нарушению планарной однородности при хранении на воздухе. Исследование поведения системы дефектов GaAs при окислении воздухом, под воздействием химических обработок и в процессе отжига в парах селена приблизило понимание атомной структуры дефектов, обнаруживаемых нестационарной спектроскопией глубоких уровней.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Запись зависимости мкости от времени при различных температурах в память компьютера позволяет уже в результате одного температурного прохода получить достаточно информации для построения множества спектров НСГУ с различными временами выборки. Это не только экономит время исследований, но и увеличивает разрешающую способность НСГУ-методики, поскольку позволяет разделить максимумы в спектрах НСГУ, отвечающие центрам с близкими значениями скоростей эмиссии.

2. Окисление поверхности подложек GaAs в атмосфере воздуха вызывает формирование ПЭС. При непосредственном взаимодействии адсорбированного кислорода с катионной подрешткой кристалла, а также в ходе твердофазной реакции естественного оксида с подложкой выделяется элементарный мышьяк, служащий источником ПЭС. В то время как планарная неоднородность и напряжения поверхности вызывают образование дефектов в виде точечных вакансий и вакансионных комплексов в приповерхностной области.

3. Обработка GaAs в парах селена залечивает как мышьячные, так и вакансионные ПЭС, а также снимает неоднородность поверхности.





4. В ходе обработки GaAs в парах селена сверхтехиометричный для Ga2Se3 галлий, выделяясь на гетерогранице, проникает в приповерхностную область кристалла GaAs и перестраивает систему дефектов таким образом, что увеличивается концентрация дефектов перестановки типа GaAs. Это проявляется в компенсации приповерхностной области после нескольких последовательных циклов обработок в парах селена и стравливания образующегося слоя селенида.

Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре физики Воронежского государственного университета инженерных технологий. Постановка задачи и определение направлений исследования осуществлялись д. ф.-м. н., профессором Н.Н. Безрядиным.

Лично автором проведены эксперименты по получению гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из Al и Au на поверхности арсенида галлия и на обработанной в парах селена поверхности арсенида галлия с наноразмерной плнкой Ga2Se3; исследованы вольтамперные, вольт-фарадные характеристики, изотермические релаксации мкости полученных структур; закономерности изменения спектров ПЭС и электронных состояний в области пространственного заряда GaAs в зависимости от изменения состояния поверхности;

разработаны модели ПЭС и состояний, обусловленных варьированием ансамбля точечных дефектов в приповерхностной области подложки в процессе обработок в парах селена.

Обсуждения результатов на протяжении всей работы проведены вместе с д.ф.-м.н., профессором Н.Н. Безрядиным и к.ф.-м.н., доцентом Г.И. Котовым.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Девятой и Десятой всероссийской молоджной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (СанктПетербург, 2005, 2007, 2008г.), XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ’2006» (Черноголовка, 2006г.), IХ международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2006 г.), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007г.), V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2010 г.), а также на отчетных XLV, XLVI, XLVII, XLVIII научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах, из которых 2 статьи в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Кроме того, в трудах всероссийских и международных конференций представлено 11 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 151 страницу машинописного текста, 52 рисунка, 4 таблицы и по структуре состоит из введения, четырх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 140 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных обсуждается атомная структура дефектов кристалла GaAs и анализируются параметры соответствующих центров локализации заряда. Показано, что дефекты, содержащие вакансии в мышьячной и галлиевой подрештке, по энергии в запрещенной зоне расположены соответственно вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, в то время как дефекты перестановки дают глубокие уровни вблизи середины запрещнной зоны. Дано обоснование возможности использования халькогенной обработки для пассивации поверхности подложек из полупроводников AIIIBV, представлены различные методики обработки в халькогенах и происходящие при этом структурно-фазовые изменения и реконструкции поверхности полупроводника. Обсуждаются причины закрепления уровня Ферми, а также способы управления спектром электронных состояний у поверхности GaAs. Глава завершается постановкой цели и задач исследования.

Во второй главе представлены результаты электрофизических исследований диодов Шоттки с контактами из Al и Au на подложках до и после обработки в парах селена. Слои селенидов получали методом термической обработки подложек GaAs в парах селена в КЗО.

Ранее было установлено, что при обработке GaAs (100) и (111) в парах селена, происходит образование псевдоморфной к GaAs плнки Ga2Se3 с толщиной ~ (35) нм. Показано также, что плотность ПЭС снижается после обработок в парах селена в течение (115) минут при температуре подложки Тп=(300350)С и парциальном давлении паров селена (1,331,5) Па за счт реконструирования поверхности GaAs на границе раздела арсенид-селенид. Такие технологические условия использовались в данной работе при изготовлении диодов Шоттки для исследования. Типичные микродифракционные изображения обработанных поверхностей (100) и (111) GaAs, свидетельствующие о структурном совершенстве поверхности, показаны на рис. 1.

а) б) Рис. 1. Микродифракционное изображение поверхности GaAs(100), обработанной в парах селена в течение 1 минуты, Тп= 330С (а) и GaAs(111), обработанной в парах селена в течение 5 минут, Тп= 330С (б).

Методами вольт-амперных характеристик (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) установлено открепление уровня Ферми на поверхностях GaAs (100) и (111) в результате обработки в парах селена. Величина высоты потенциального барьера Фб исходных образцов Al/GaAs составляет ~ 0,8 эВ, что соответствует закреплению уровня Ферми у поверхности. Величина Фб диодов Al/Ga2Se3/GaAs, полученных на обработанной в селене поверхности GaAs, составляет ~ 0,5 эВ. Это говорит об уменьшении плотности ПЭС, закреплявших уровень Ферми на необработанной поверхности GaAs. Для образцов Au/Ga2Se3/GaAs открепление уровня Ферми сопровождается увеличением Фб до предела Шоттки-Мотта в 1,15 эВ по сравнению со структурами Au/GaAs (для которых Фб составляет ~ 0,9 эВ).

Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ) исследованы центры локализации заряда в GaAs. Идентифицированы основные глубокие уровни GaAs из наблюдаемых в экспериментах. Разброс в значениях энергий активации, определнной этим методом (более 0,1 эВ) обусловлен наложением релаксационных токов носителей заряда от центров с близкими значениями постоянной времени освобождения носителя заряда. Это проявляется в размытии максимума по температуре, в наложении максимумов. Наиболее вероятные значения энергии активации центра получаются выбором образцов для исследования, в которых по концентрации изучаемый центр существенно превосходит центры с близкими скоростями эмиссии. Достичь наиболее полного выделения изучаемого максимума можно варьированием интервала стробности и его начала на релаксационной зависимости мкости. Это чрезвычайно затратная по времени процедура, которой в реальных экспериментах редко пользуются. Большого количества температурных проходов (то есть циклов охлаждения и нагревания образца) можно избежать, если анализировать по НСГУметодике изотермические релаксации мкости, измеренные в широком интервале температур с определнным шагом по температуре.

В процессе эксперимента регистрируются изотермические релаксации мкости как зависимость величины мкости диода Шоттки от времени релаксации C(t) при переключении от прямого смещения Vi на исследуемой структуре к обедняющему Vd.

В результате одного измерения получается массив данных C(T,t), который записывается в память компьютера в виде отдельного файла (рис. 2).

Обработка результатов измерений производится с помощью специально Рис. 2. Изотермические релаксации мкости разработанной программы, в которой по С(T,t) диода Шоттки Au/n-GaAs.

методике НСГУ рассчитывается спектр как С(T)/C0={C(T,t2)-C(T,t1)}/C0, где C(T,t1) и C(T,t2) – значения мкости в моменты времени t1 и t2 после переключения смещения, а C0 – нормировочная мкость диода используется для определения концентрации центров и соответствует приповерхностной области обеднения при напряжении Vd. Варьирование величины интервала стробности (t2-t1) и его начала на релаксационной зависимости (t1) позволяет выделить отдельные пики из группы пиков и оценить соответствующие им энергии ловушек в запрещнной зоне полупроводника.

Для иллюстрации влияния выбора параметров t1 и t2 на рис. 3 приведены спектры НСГУ в диапазоне температур около максимума от центра EL6 для разного набора t1 и t2. Видно, что исключение начального этапа релаксации (до 200 мс) из расчета спектра позволяет исключить вклад в спектр от максимума EL14 вблизи температуры 1К и выделить максимум EL6 при 150 К.

Таким образом определнные значения энергий активации центров в GaAs приведены в таблице 1.

Рис. 3. Спектры НСГУ диода Шоттки Al/nGaAs, полученные для наборов времн:

1) t1 = 20 мс, t2 = 200 мс;

2) t1 = 40 мс, t2 = 10 с;

3) t1 = 80 мс, t2 = 10 с;

4) t1 = 200 мс, t2 = 10 с.

Энергия Обозначение Структура активации, эВ EL14 VAs (+1/0) 0,EL6 VAs - Asi - VGa 0,EL3 VAs - Oi 0,EL2 AsGa(+2/+1) 0,Таблица 1. Основные глубокие уровни в n-GaAs.

В третьей главе исследуются ПЭС, связанные с процессами химического травления, последующего образования собственных оксидов на полупроводниковых подложках GaAs и дополнительной обработкой поверхности GaAs в парах селена в КЗО. Известно, что на поверхности GaAs образуется собственный оксид, состоящий в основном из Ga2O3, As2O3 и элементарного As на границе раздела. Количество выделившегося элементарного мышьяка зависит от температуры и времени хранения подложек арсенида галлия с собственным оксидом. Элементарный мышьяк наряду с оксидной фазой служит источником ПЭС и оказывает влияние на спектр глубоких уровней на границе раздела в арсениде галлия.

Для исследования образцы получали по двум методикам подготовки: 1) стандартный процесс химико-динамического полирования и 2) селективное травление, достигаемое смещением состава полирующего травителя в сторону меньшей концентрации H2O2 с последующим промыванием в растворе соляной кислоты 1HCl:10H2O. Напыление контактов производилось как на свежеподготовленные подложки, так и на хранившиеся в течение недели на воздухе при нормальных условиях. Кроме того, оба типа образцов подвергались термическому отжигу в парах селена при Тп = 330С в течение 5 минут, после чего напылялись контакты из золота для исследования.

Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/nGaAs, представленые на рис. 4 (кривые 1 и 2), сформированы после полирующего травления на свежеприготовленных образцах и содержат типичный набор объмных глубоких уровней GaAs (EL2, EL3, EL5, EL6, EL8). Приведнные спектры получены из кривых релаксации мкости, измеренной при Vi = +1 В и различных значениях Vd: 1) -2 В (сплошная линия), 2) -0,4 В (пунктирная линия). Вблизи глубокого уровня EL3 (250 К) наблюдается несимметричный пик, амплитуда которого мала по сравнению с основными для GaAs глубокими уровнями EL6 (160 К) и EL(340К). Характер зависимости амплитуды Рис. 4. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/nмаксимума пика вблизи EL3 от обратного GaAs:

напряжения свидетельствует о том, что он 1 и 2 – сформированы на обусловлен распределнными по энергии в свежеподготовленных подложках, запрещнной зоне полупроводника ПЭС полученных полирующим травлением;

(энергия активации 0,40 – 0,45 эВ). Слева от 3 – сформированы на аналогично EL6 на спектре заметен пик, травленных подложках после отжига в парах соответствующий уровню EL8 (130К).

селена. t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

Отличительной особенностью спектров диодов Шоттки, сформированных после обработки в парах селена, является значительное уменьшение амплитуды пика вблизи уровня EL3 и относительно небольшое снижение амплитуды остальных пиков (рис. 4, кривая 3). То есть наблюдаемое уменьшение амплитуды пика вблизи EL3 обусловлено уменьшением концентрации ПЭС после обработки в парах селена.

На рис. 5 (кривые 1 и 2) приведены спектры диодов Шоттки, полученных после селективного травления на свежеприготовленных образцах. Релаксации мкости измерены при Vi = + 3 В (сплошная Рис. 5. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/nлиния) и Vi = + 1 В (пунктирная линия); Vd = GaAs: а) сформированы на -1В. Данные спектры характеризуются свежеприготовленных подложках, наличием широкой полосы сигнала НСГУ полученных селективным травлением;

от 100 до 250 К, амплитуда которой б) сформированы на аналогично травленых существенно зависит от заполняющего подложках после отжига в парах селена.

ловушки прямого смещения на диоде, что t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

свидетельствует о наличии высокой плотности ПЭС. В спектрах диодов Шоттки, сформированных на аналогичных подложках после обработки в парах селена (кривая 3 на рис. 5, режим измерения: Vi = + 3В, Vd = -1В), наблюдаются только пики, соответствующие объмным глубоким уровням EL6 и EL2.

На рис. 6 представлены спектры диодов Шоттки Au/n-GaAs, сформированных на подложках после селективного травления и хранения на воздухе. Режимы измерения релаксаций мкости: Vi = +1В, Vd = -0,4В (сплошные линии), Vd = -1 В (пунктирные линии), Vd = -2В (штрих-пунктирные линии).

а) б) Рис. 6. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/n-GaAs: а) сформированы на подложках после селективного травления и хранения на воздухе в течение недели; б) сформированы на аналогично подготовленных подложках после отжига в парах селена.

t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

По сравнению со спектром свежеприготовленных образцов, полученных полирующим травлением (рис. 4), в данных спектрах, отсутствует пик EL8 ниже по температуре от EL6.

Вблизи EL3 наблюдаются два пика (ПЭС1 и ПЭС2), амплитуда которых сильно зависит от обратного смещения на диоде, что свидетельствует о соответствии этих пиков распределнным у поверхности электронным состояниям. Энергия активации низкотемпературного несимметричного (230 К) пика ПЭС1 составила 0,44 эВ. Отжиг в парах селена приводит к исчезновению описанных выше пиков ПЭС из спектров, однако остатся плато справа от EL6 (180-200 К), амплитуда которого зависит от обратного смещения на диоде.

По литературным данным в выращенном методом молекулярно-лучевой эпитаксии низкотемпературном GaAs в спектрах НСГУ наблюдаются два пика в диапазоне температур от 200 К до 300 К, которые обусловлены крупными (6-8 нм) и мелкими (менее 3 нм) кластерами элементарного мышьяка. Поэтому можно предположить, что пик ПЭС1 связан с содержанием элементарного мышьяка в виде крупных кластеров в собственном оксиде GaAs, который образуется на поверхности подложки после полирующего травления из-за того, что перед напылением металла поверхность GaAs некоторое время контактировала с кислородом воздуха. Поверхностные электронные состояния в диапазоне температур от 2до 300 К (ПЭС1 и ПЭС2 на рис. 6,а) также обусловлены образованием собственного оксида и кластеров элементарного мышьяка при селективном травлении и контакте с кислородом воздуха. На дефектной поверхности GaAs, разупорядоченной после селективного травления, наблюдается большая концентрация ПЭС. А распределнная по энергии полоса состояний (рис. 5) в запрещнной зоне полупроводника по энергетическому положению соответствует вакансионным дефектам (VAs и VGa) и комплексам с их участием в рештке GaAs. По всей видимости, процесс селективного травления и последующего образования собственного оксида обеспечивает высокую плотность вакансионных точечных дефектов и комплексов с их участием.

Пик ПЭС2, наблюдаемый в диапазоне температур от 250 до 300 К (рис. 6,а), связан с мелкими кластерами мышьяка на границе раздела As2O3/GaAs, которые образуются в результате твердофазной реакции между оксидом мышьяка и подложкой при хранении подложек перед напылением контактов. В пользу такого предположения свидетельствует то, что в диапазоне температур от 250 до 300 К в спектрах свежеприготовленных образцов его нет (рис. 5).

Наличие пика EL8 в спектрах свежеприготовленных образцов, полученных полирующим травлением, и его отсутствие в спектрах образцов, полученных селективным травлением и хранившихся на воздухе, может быть связано с изменением стехиометрии на поверхности GaAs в процессе хранения. Так как уровень EL8 представляет собой комплекс точечных дефектов с участием VAs, то его концентрация в свежеприготовленных полирующим травлением образцах будет определяться равновесной концентрацией вакансий мышьяка. А возможное встраивание избыточного элементарного мышьяка в рештку GaAs в процессе хранения или термического отжига может приводить к рекомбинации VAs. Наличие плато справа от EL6 (рис. 6,б) говорит о том, что однократной обработки в парах селена оказывается недостаточно, чтобы удались все ПЭС. Повторная обработка позволяет решить эту проблему.

Таким образом, в результате химико-динамического полирования и последующего окисления поверхности GaAs возможно образование различных по своей природе ПЭС (вакансионных, мышьячных) в широком диапазоне энергий. Независимо от природы ПЭС, обработка в парах селена позволяет уменьшить плотность ПЭС, пассивировать поверхность GaAs с точки зрения прекращения доступа атмосферного кислорода к подложке и приблизить спектр НСГУ к соответствующему только глубоким уровням в объме GaAs.

О снижении плотности ПЭС свидетельствует также увеличение в два раза интенсивности фотолюминесценции в области собственного поглощения при накачке зелным лазером обработанных в парах селена образцов GaAs по сравнению с необработанными.

В четвёртой главе изучаются электронные процессы в приповерхностной области арсенида галлия после обработки в парах селена. ВФХ диодных структур Al/Ga2Se3/GaAs(100) в области малых обратных напряжений, соответствующих небольшим значениям поверхностного потенциала, перестроенные в координатах 1/C2 от V, имеют характерный излом (рис. 7,а). Рассчитанная по наклону этих зависимостей величина концентрации мелких доноров Nd оказывается заниженной. Величина Nd меньше вблизи поверхности по сравнению с соответствующим значением в объме полупроводника. Изгиба ВФХ не обнаруживается на исходных образцах Al/GaAs и обработанных образцах Al/Ga2Se3/GaAs(111).

Подобная ситуация наблюдается и для структур Au/Ga2Se3/GaAs(100). Однако в случае контактов из Au на ВФХ нет излома. Причм наклон в координатах 1/C2 от V соответствует наклону ВФХ диодов Al/Ga2Se3/GaAs в области малых напряжений, то есть соответствует меньшим рассчитанным значениям Nd, чем на ВФХ исходных необработанных в селене структур.

Представленные результаты объясняются особенностями протекания процесса ГВЗ. При замещении мышьяка в GaAs селеном образуется плнка Ga2Se3 по двум связанным механизмам: а) рост плнки вглубь GaAs при взаимодействии селена с GaAs, сопровождающийся выделением сверхстехиометрического для Ga2Se3 галлия; б) проникновение этого галлия на поверхность, где он взаимодействует с селеном. Причм мышьяк покидает поверхность GaAs, в то время как некоторая часть сверхстехиометрического для Ga2Se3 галлия с формирующейся границы раздела Ga2Se3GaAs внедряется в приповерхностную область GaAs. В результате происходит увеличение соотношения Ga:As в ОПЗ GaAs, что приводит к изменению концентраций дефектов. В частности к увеличению концентрации антиструктурных точечных дефектов типа дефект перестановки GaAs. Обработка в парах селена, повышает концентрацию акцепторных уровней до количества, достаточного для компенсации доноров вблизи поверхности, что и наблюдается на ВФХ в виде излома.

а) б) Рис. 7. ВФХ диодных структур: а) Al/n-GaAs (кривая 1), Al/Ga2Se3/n-GaAs, полученных после обработки в парах селена при Тп= 330С в течение 5 минут (кривая 2) и 15 минут (кривая 3); б) Au/n-GaAs (кривая 1) и Au/Ga2Se3/n-GaAs, полученных после :

1ой (кривая 2), 2ой (кривая 3), 3ей обработки в парах селена (кривая 4).

Междоузельный мышьяк Asi становится подвижным уже при температуре 220С, что объясняется в литературе миграцией Asi в направлении [111] по октаэдрическим каналам, которые ориентированы под углом 45 к плоскости (100) и параллельны плоскости (111). В этой связи можно объяснить различия в ВФХ между диодными структурами на основе Ga2Se3/GaAs(100) и Ga2Se3/GaAs(111) проникновением Gai в ОПЗ GaAs во время отжига в парах селена по октаэдрическим каналам по механизму, подобному миграции мышьяка. В отличие от Ga2Se3/GaAs(100) в структурах Ga2Se3/GaAs(111) такая миграция Gai вглубь кристалла невозможна.

С целью проверки описанных предположений были получены диодные структуры на основе GaAs, многократно обработанного в парах селена при Тп= 330С в течение 5 минут.

Многократная обработка получалась при стравливании в водном растворе HCl выращенного слоя селенида и выращивании нового слоя Ga2Se3 на травленой поверхности. В результате происходит накопление вносимых обработкой дефектов в приповерхностной области GaAs.

Были получены диодные структуры Au/GaAs и Au/Ga2Se3/GaAs на подложках GaAs(100) с концентрацией электронов 4*1016 см-3 после 1, 2 и 3 цикла последовательных обработок поверхности GaAs. Постепенное увеличение наклона ВФХ (рис. 7,б) в масштабе 1/C2 от V говорит о снижении разницы Nd+ – Na– в области объмного заряда. Каждая обработка вносит определнную порцию в концентрацию глубоких акцепторов внутри ОПЗ, которую можно оценить как ~1016см-3. При этом ВФХ диодов, полученных после последовательных аналогичных обработок на подложках, легированных до ~ 1017см-3, укладываются в масштабе 1/C2 от V на одну прямую с наклоном, соответствующим концентрации электронов исходных образцов. В этом случае, концентрации акцепторов оказывается недостаточно для компенсации.

Рис. 8. Спектры НСГУ диодных структур с контактами из Au, напылнными на GaAs после: 1) ХДП; 2) ХДП и обработки в парах Se2.

Vi = + 1 В, Vd = - 1,4 В; t1 = 50 мс, t2 = 250 мс.

Спектры НСГУ (рис. 8 и 9) диодов Шоттки, полученных на подложках GaAs до и после минутной обработки в парах Se2 при Тп = 330°С, указывают на снижение концентрации центров EL6 (температура максимума 160170 К) и увеличение концентрации центров EL(температура максимума 140К). Это в соответствии с результатами ряда исследований атомной структуры естественных для GaAs дефектов свидетельствует о снижении концентрации вакансий галлия VGa в приповерхностной области. EL6 соответствует пара вакансий и междоузельный мышьяк (VGa-VAs-Asi), а EL8 - вакансия мышьяка и мышьяк в междоузлие (VAs-Asi). Таким образом можно полагать, что проникающий в рештку кристалла GaAs галлий рекомбинирует с VGa в составе EL6 при Тп ~ 330°С в процессе обработки в парах селена. Если галлий занимает VAs, то образуется GaAs.

Рис. 9. Спектры НСГУ диодных структур с контактами из Au, напылнными на n-GaAs после ХДП (кривая 1); после обработки в парах Se2 и стравливания слоя селенида (кривая 2);

после повторной обработки в парах Se2 (кривая 3).

Vi = + 3 В, Vd = - 1 В;t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

Стравливание образовавшегося слоя и повторная обработка GaAs в парах Se2 приводит к снижению концентрации центров типа EL6 и EL2 в приповерхностной области кристалла и как следует из анализа ВФХ (рис. 7) вызывает компенсацию приповерхностной области GaAs. Учитывая структуру дефектов EL6 и EL2 и избыточную концентрацию галлия в приповерхностной области рассматриваются реакции, приводящие к образованию дефекта GaAs из дефектов типа EL6 и EL2. Этот образовавшийся дефект и дат глубокие акцепторные уровни, обеспечивающие компенсацию.

Отмеченная выше повторная обработка полностью снимает ПЭС и в спектрах НСГУ проявляются только глубокие уровни объма подложки (рис. 9).

Основные результаты и выводы:

1. Регистрация релаксаций мкости гетероструктур как массива данных C(T,t), сохраняемого в памяти компьютера, позволяет в результате одного температурного прохода получить достаточно информации для построения множества спектров НСГУ при варьировании интервала стробности и его положения на релаксационной кривой. Это позволяет увеличить разрешающую способность НСГУ метода в части определения энергий глубоких уровней.

2. Хранение подложек GaAs при нормальных условиях вызывает формирование ПЭС за счт окисления поверхности, увеличения неоднородности и выделения элементарного мышьяка.

3. Обработка в парах селена снижает концентрацию ПЭС до уровня, не регистрируемого используемым вариантом НСГУ метода.

4. При обработке GaAs в парах селена выделяется сверхстехиометричный для растущей фазы селенида галлий, участвующий в рекомбинации точечных дефектов группы EL(парной вакансии VGa+ VAs) в приповерхностной области за счт рекомбинации типа VGa + Gai = GaGa, а также VAs + Gai = GaAs с образованием акцепторных уровней, что приводит к эффекту компенсации в приповерхностной области.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Безрядин Н.Н. Влияние обработки в парах селена на дефекты приповерхностной области арсенида галлия. / Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, Ю.Н. Власов, А.А. Стародубцев, P.K.

Bhatnagar, P.C. Mathur // Известия высших учебных заведений. - Сер. Физика,- 2009г. - №4, - С.72-76.

2. Безрядин Н.Н. Методика регистрации и анализа изотермической релаксации емкости полупроводниковых гетероструктур / Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, А.В. Каданцев, Л.В.

Васильева, Ю.Н. Власов // Приборы и техника эксперимента. - 2010г. - №3 - С.119-122.

3. Безрядин Н.Н. Устойчивость халькогенидной пассивации арсенида галлия в зависимости от времени хранения диодов Шоттки Al/GaAs / Н.Н. Безрядин, А.А.

Стародубцев, Г.И. Котов, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2005, -С. 28 – 31.

4. Котов Г.И. Влияние обработки в парах селена на электрофизические характеристики диодов Шоттки на основе GaAs / Г.И. Котов, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2006, -С. 63 – 69.

5. Котов Г.И. Преобразование системы дефектов GaAs при обработке в парах селена. / Г.И. Котов, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2007, -С. 25 – 28.

6. Котов Г.И. Исследование дефектов в приповерхностной области GaAs методом DLTS / Г.И. Котов, А.В. Каданцев, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2008, -С. 108 – 112.

7. Котов Г.И. Снижение плотности поверхностных электронных состояний при обработке разупорядоченной поверхности GaAs в парах селена / Г.И. Котов, Ю.Н. Власов, Г.А. Панин // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 112 – 118.

8. Котов Г.И. Влияние обработки в парах селена на структуру поверхности GaP и электрические характеристики диодов Шоттки с контактами из Al и Au // Г.И. Котов, С.В.

Кузубов, Б.Л. Агапов, Ю.Н. Власов, А.В. Кортунов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 119 – 123.

9. Титов С.А. Инфракрасный спектрофотометр с полупроводниковым фотодатчиком. / С.А. Титов, Г.А. Панин, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 124 – 128.

10. Безрядин Н.Н. Токопрохождение и емкостные характеристики диодов Шоттки на основе GaAs с туннельно прозрачным слоем Ga2Se3 / Н.Н. Безрядин, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Седьмая всероссийская молоджная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 5–9 декабря 2005.- С.96.

11. Асессоров В.В. Электронно-микроскопическое исследование поверхности GaAs, обработанной в парах селена / В.В. Асессоров,Б.Л. Агапов, Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, А.А. Стародубцев, С.В. Кузубов, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ’2006» - Черноголовка, 5-10 июня 2006, - С.

31.

12. Безрядин Н.Н. Диоды Шоттки на основе GaAs с туннельнопрозрачным слоем Ga2Se3 / Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов девятой конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» - Томск, 3-5 октября 2006, - С. 171-174.

13. Безрядин Н.Н. Центры локализации заряда в приповерхностной области арсенида галлия / Н.Н. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLV отчтной научной конференции за 2006 год ВГТА, -Ч.2, -С. 136.

14. Безрядин Н.Н. Исследование электронных состояний в GaAs методом НСГУ / Н.Н. Безрядин, Ю.Н. Власов // Материалы XLVI отчтной научной конференции за 2007 год ВГТА, -Ч.2, -С. 125.

15. Безрядин Н.Н. Халькогенная обработка в технологии наноразмерных структур на подложках из арсенида галлия. Тезисы докладов VIII Российской конференции по физике полупроводников. Екатеринбург, 30 сентября-5 октября, 2007, - С.121. Н.Н. Безрядин, Г.И.

Котов, С.В. Кузубов, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов, Т.А. Кузьменко.

16. Безрядин Н.Н. Влияние обработки арсенида галлия в парах селена на дефекты в приповерхностной области / Н.Н. Безрядин, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Девятая всероссийская молоджная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 3 –7 Декабря 2007.- С.99.

17. Безрядин Н.Н. Анализ изотермических релаксаций мкости полупроводниковых гетероструктур по DLTS методике / Н.Н. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLVII отчтной научной конференции за 2008 год ВГТА, -Ч.2, -С.

151.

18. Безрядин Н.Н. Исследование дефектов в приповерхностной области GaAs методом DLTS / Н.Н. Безрядин, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Десятая всероссийская молоджная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 1 –5 Декабря 2008.- С.101.

19. Безрядин Н.Н. Экспериментальное выделение моноэнергетического уровня на фоне ПЭС в рамках DLTS методики / Н.Н. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLVIII отчтной научной конференции за 2009 год ВГТА, -Ч.2, -С. 165.

20. Котов Г.И. Реконструкция поверхности AIIIBV (111) в наногетероструктурах, сформированных обработкой в парах селена / Г.И. Котов, С.В. Кузубов, Б.Л. Агапов, Н.Н.

Безрядин, Ю.Н. Власов // Материалы конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах». - Воронеж, 3-8 октября 2010 г.- С.378379.

Работы [1, 2] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций.

Подписано в печать.02. 2012. Формат 60 х 84 1/Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ №.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный институт инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес академии и отдела полиграфии:

394036, Воронеж, пр. Революции,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.