WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 Емкостные исследования электронных ловушек в низкотемпературном арсениде галлия © П.Н. Брунков, А.А. Гуткин, А.К. Моисеенко, Ю.Г. Мусихин, В.В. Чалдышев, Н.Н. Черкашин, С.Г. Конников, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 8 сентября 2003 г. Принята к печати 10 сентября 2003 г.) Проведено исследование электронных ловушек в арсениде галлия, выращенном методом молекулярнолучевой эпитаксии при температуре 200-300C (LT-GaAs). Для этого использовалась емкостная спектроскопия глубоких уровней в барьерах Шоттки на n-GaAs, область объемного заряда которых содержала встроенный слой LT-GaAs толщиной 0.1 мкм. Размер кластеров мышьяка, образующихся в LT-GaAs в результате отжига при 580C, варьировался за счет изменения температуры роста. Обнаружено, что в слоях LT-GaAs, выращенных при 200C и содержащих кластеры мышьяка диаметром 6-8нм, появляются два новых типа электронных ловушек с энергиями активации термической эмиссии электронов 0.47 и 0.59 эВ и концентрацией 1017 см-3, что сравнимо с концентрацией кластеров мышьяка, определенной с помощью просвечивающей электронной микроскопии. В слоях LT-GaAs, выращенных при 300C, в которых кластеры мышьяка не наблюдались, обнаружены ловушки с энергией активации 0.61 эВ. Обсуждается связь этих электронных уровней с системой кластеров As и точечных дефектов в LT-GaAs.

1. Введение слой LT-GaAs был заключен между слоями низкоомного арсенида галлия, выращенными при температуре Арсенид галлия, выращенный методом молекулярно- 620C, и находился внутри области объемного заряда лучевой эпитаксии при температуре 200-300C барьера, образованного на поверхности этой структуры.

(LT-GaAs) характеризуется сильным отклонением от Максимальная толщина слоев LT-GaAs в этих работах стехиометрического состава в сторону обогащения была 26 нм, температура роста 250C, а температура мышьяком (до 1.5 ат%), что приводит к высокой отжига 620C, что может не обеспечивать концентрации концентрации собственных точечных дефектов, таких избыточного мышьяка, достаточной для формирования как межузельный мышьяк Asi и дефект перестановки кластеров из-за диффузии мышьяка в прилегающие слои „мышьяк на месте галлия“ AsGa [1]. Послеростовой GaAs [12].

отжиг эпитаксиальных слоев LT-GaAs при температурах В настоящей работе представлены результаты исслеT > 500C приводит к образованию наноразмерных дования электронных ловушек в слоях LT-GaAs методом кластеров мышьяка [2,3], при этом эпитаксиальный слой емкостной НСГУ в барьере Шоттки на основе низкохарактеризуется высоким удельным сопротивлением [4] омного n-GaAs, содержащего слой LT-GaAs толщиной и может иметь исключительно малое время жизни 0.1 мкм. Указанная толщина слоя LT-GaAs является доносителей заряда (менее 1 пс) [5–7]. Считается, что эти статочной для образования в нем при отжиге кластеров свойства, являющиеся основой для применения LT-GaAs мышьяка размером порядка нескольких нм [13,14]. Для в ряде приборов, связаны с образованием в его матрице выяснения роли кластеров в формировании электронных наноразмерных кластеров мышьяка и(или) дефектов с ловушек проведены сравнительные исследования струкглубокими уровнями. Вместе с тем параметры и свойтур, различающихся только количеством избыточного ства электронных ловушек, обеспечивающих положение мышьяка в слоях LT-GaAs.

уровня Ферми и быструю рекомбинацию носителей, а также факторы, влияющие на них, изучены мало или вообще неизвестны [4,8–10]. Метод емкостной неста- 2. Образцы и методика эксперимента ционарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ) в структурах с потенциальным барьером [11] обладает Исследуемые образцы были выращены методом высокой чувствительностью и достаточно широко молекулярно-лучевой эпитаксии в двухкамерной устаиспользуется для исследования ловушек носителей новке „Катунь“ на подложках n+-GaAs (100), легирозаряда в полупроводниковых материалах. Однако при- ванного Si на уровне 2 · 1018см-3. Структуры состояли менение этого метода в случае, когда барьер образован из трех слоев: слоя n-GaAs толщиной 0.5мкм (темпенепосредственно на толстом слое LT-GaAs, затруднено ратура эпитаксии Ts = 580C), слоя LT-GaAs толщиной из-за высокого удельного сопротивления материала. 0.1мкм и второго слоя n-GaAs толщиной 0.5мкм Чтобы устранить эту трудность, в работах [4,10] было (Ts = 580C). Эпитаксиальные слои структур были одпредложено использовать структуру, в которой тонкий нородно легированы Si в концентрации 2 · 1016 см-3.

2 402 П.Н. Брунков, А.А. Гуткин, А.К. Моисеенко, Ю.Г. Мусихин, В.В. Чалдышев, Н.Н. Черкашин...

Было выращено два типа образцов с температурой роста слоя LT-GaAs Ts = 200 и 300C, которые обозначены далее как LT200 и LT300 соответственно. Выращивание верхних слоев структур при высокой температуре в течение 0.5 ч приводило к преципитации избыточного мышьяка и формированию в слое LT-GaAs системы наноразмерных кластеров мышьяка. Исследования образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в поперечном сечении показали, что в структурах LT200 в слое LT-GaAs сформировались кластеры мышьяка размером 6-8 нм в концентрации 1017 см-3 [13,14]. В структурах LT300 кластеры мышьяка не были обнаружены. Это может быть связано с тем, что размеры кластера не превышали разрешающую способность ПЭМ-установки (3нм).

Барьеры Шоттки формировались путем напыления Au на поверхность образцов через отверстие в маске диаметром 0.35 мм. Для создания омических контактов к n+-подложке использовался сплав AuGe, который вжигался при температуре 400C.

Измерения спектров НСГУ C(T ) производились на автоматизированной установке с использованием емкостного моста „Boonton-72B“, работающего на частоте 1 МГц с амплитудой измерительного сигнала 150 мВ.

Отношение времен выборки t2 и t1 в двухстробном интеграторе подбиралось из соображений улучшения разрешения по энергии при сохранении достаточной чувствительности и составляло 1.2.

При проведении исследований описанных выше структур методом НСГУ необходимо учитывать, что отрица- Рис. 1. Спектры НСГУ образцов LT300 (a) и LT200 (b).

тельный заряд электронов, захваченных слоем LT-GaAs Окно темпов эмиссии двухстробного интегратора 6.8с-(t1 = 133.8мс, t2 = 160.6мс). a: Vb = -9В; Vp = 1.0 (1), после импульса заполнения, столь велик, что граница 2.0 (2), 3.0 (3), 4.0 (4), 6.0 (5), 7.0 (6), 8.0 (7), 9.0 В (8);

области объемного заряда может сместиться в сильно 9 — расчетный спектр НСГУ для ловушки Q1 в образце легированную подложку, на которой выращена струкLT300. b: Vb = -10 В, Vp = 2.0 (1), 4.0 (2), 5.0 (3), 6.0 (4), тура. В связи с этим, используя нестационарную спек6.25 (5), 6.75 (6), 8.0 (7), 10.0 В (8).

троскопию, мы проводили измерения при минимально возможных напряжениях смещения, которые все же обеспечивали перезарядку ловушек в слое LT-GaAs.

Кроме того, применялись также методы, основанные на барьера практически перестает зависеть от напряжеанализе изотермической релаксации емкости C(t).

ния смещения в момент заполения). Это означает, что ловушки Q1 локализованы в слое LT-GaAs. При этом уменьшение их заполнения с дальнейшим уменьше3. Результаты эксперимента нием амплитуды заполняющего импульса Vp связано с понижением квазиуровня Ферми в слое LT-GaAs в В спектрах НСГУ образцов LT300 был обнаружен момент импульса заполнения. Следует также отметить, один тип электронных ловушек Q1 (рис. 1, a). При фикчто температурное положение максимума пика Q1 не сированном напряжении смещения Vb = -9 В с уменьизменялось, а релаксация емкости C(t) имела обычный шением амплитуды импульса заполнения Vp в диапазоне вид [11].

от 9 до 7 В высота пика Q1 практически не менялась.

В спектрах образцов LT200 были обнаружены два типа Дальнейшее уменьшение амплитуды импульса заполэлектронных ловушек Q2 и Q3 (рис. 1, b). Как и в случае нения Vp приводило к быстрому уменьшению высоты пика Q1 (рис. 1, a). Сопоставление зависимостей ампли- ловушек Q1 в структуре LT300, зависимость амплитуд пиков Q2 и Q3 от амплитуды импульса заполнения туды пика Q1 и емкости в конце импульса заполнения от Vp свидетельствует об их локализации в слое LT-GaAs напряжения смещения в момент заполнения показывает, что резкое падение амплитуды пика Q1 начинается в структуры LT200. При этом для пика Q2 падение ампли тот момент, когда граница слоя, в котором уровни туды начинается при больших величинах заполняющего заполняются, перемещается в слой LT-GaAs (емкость импульса, чем для пика Q3 (рпис. 1, b). Это связано с Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Емкостные исследования электронных ловушек в низкотемпературном арсениде галлия Параметры электронных ловушек расположением уровня Q3 в запрещенной зоне GaAs ниже уровня Q2. Следует также отметить: в то время Тип ловушки Eact, эВ, смкак форма пика Q3 не зависела от параметров импульса Q1 0.61 3.4 · 10-заполнения Vp, пик Q2 уширялся с уменьшением амплиQ2 0.47 8.6 · 10-туды импульса заполнения Vp.

Q3 0.59 7.3 · 10-Для исследования причин такого поведения были проведены измерения зависимости изотермической релаксации емкости C(t) при напряжении смещения Vb = -10 В и различных амплитудах импульса заполнения Vp. При на емкость структуры. Перемещение границы ОПЗ в Vp = 10 В в диапазоне температур 230-260 K в релакподложку связано с тем, что отрицательный заряд, сации емкости C(t) на начальном этапе наблюдается захваченный на ловушки во время импульса заполнения, участок квазипостоянной емкости (рис. 2, a). С повышезначительно превышает заряд мелких доноров в эпинием температуры длина этого участка уменьшается, и таксиальном слое GaAs, прилегающем к подложке. По он практически исчезает при температурах выше 270 K.

мере эмиссии электронов с глубокого уровня край ОПЗ Величина емкости в 11.5 пФ на участке квазипостоянной выходит из сильно легированной подложки n+-GaAs емкости C(t) (рис. 2, a) дает ширину области про- в слабо легированный эпитаксиальный слой n-GaAs странственного заряда (ОПЗ) W 1 мкм, что пример- и релаксация емкости C(t) принимает обычный вид.

но соответствует суммарной величине эпитаксиальных С ростом температуры темп эмиссии электронов растет, слоев структуры LT200, т. е. край ОПЗ находится в поэтому длительность участка квазипостоянной емкости сильно легированной подложке n+-GaAs. В связи с этим C(t) уменьшается (рис. 2, a).

эмиссия электронов с глубоких ловушек в ОПЗ слабо Наличие участка квазипостоянной емкости C(t) привлияет на положение его границы и, следовательно, водит к искажению формы спектра НСГУ C(T ), полученного в режиме двухстробного интегрирования, когда измеряется разность значений емкости C(t) в моменты времени t1 и t2 [11]. Из рис. 1, b видно, что при амплитуде импульса заполнения Vp = 10 В пик Q2 в спектре НСГУ „подрезан“ с низкотемпературной стороны, когда по крайней мере один из стробов находится в области участка квазипостоянной емкости C(t) (рис. 2, a). Это приводит к эффективному сдвигу положения максимума пика Q2 (рис. 1, b) и не позволяет определить параметры ловушки. Кроме того, происходит некоторое уменьшение амплитуды пика Q2.

Изменение относительной амплитуды импульса заполнения Vp от 10 до 2 В приводит к уменьшению концентрации электронов, захваченных на ловушки Q2, так что при Vp = 5 В амплитуда пика Q2 спадает практически до нуля (рис. 1, b). При этом отрицательный заряд в слое LT-GaAs уменьшается, и граница ОПЗ перестает выходить в сильно легированную подложку. Это позволяет подобрать амплитуду импульса заполнения Vp, необходимую для корректного измерения спектра НСГУ.

Оптимальные условия для образца LT200 были получены при Vp = 6.75 В (рис. 1, b). Как видно из рис. 2, b, соответствующие этим условиям кривые релаксации емкости C(t) практически не имеют квазипостоянного участка.

Температурные зависимости темпов эмиссии электронов с глубоких ловушек Q1, Q2 и Q3 представлены на графике Аррениуса (рис. 3), из которого были определены параметры этих ловушек — энергии активации Eact и сечения захвата, приведенные в таблице.

Рис. 2. Релаксация емкости C(t) образца LT200 при напряРезультаты расчета спектров НСГУ электронных ложении смещения Vb = -10 В и различных температурах. a:

вушек Q1, Q2 и Q3 с использованием параметров, приVp = 10 В; T = 220 (1), 230 (2), 240 (3), 250 (4), 260 (5), веденных в таблице, показаны на рис. 1, a и рис. 4, a, b.

270 (6), 280 (7), 290 K (8). b: Vp = 6.75 В; T = 210 (1), 220 (2), 230 (3), 240 (4), 250 (5), 260 (6), 270 (7), 280 (8), 290 K (9). Как видно из сравнения рис. 4, a и 4, b, существование 2 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 404 П.Н. Брунков, А.А. Гуткин, А.К. Моисеенко, Ю.Г. Мусихин, В.В. Чалдышев, Н.Н. Черкашин...

участка квазипостоянной емкости C(t) действительно модифицирует пик Q2 в спектре НСГУ с низкотемпературной стороны. Заметное различие между расчетными и экспериментальными спектрами НСГУ (рис. 4, a) в области температур между пиками Q2 и Q3 может быть связано с существованием глубоких уровней в энергетическом зазоре между уровнями Q2 и Q3.

Как видно из рис. 1, a и 4, a высокотемпературный край пиков Q1 и Q3 в расчетных спектрах НСГУ значительно шире, чем в экспериментальных. Причина подобного различия не ясна.

Энергия активации термической эмиссии электронов с глубоких ловушек может быть также определена из анализа релаксации емкости C(t) даже в случае существования участка квазипостоянной емкости (рис. 2, a).

Суть метода состоит в следующем. Пусть в процессе термической эмиссии электронов с глубоких ловушек одного типа при температуре T емкость структуры достигает некоторой фиксированной величины C0 за время t0(T ). Тогда, если пренебречь температурной зависимостью контактного потенциала и диэлектрической проницаемости, заряд, эмиттированный этой ловушкой за время t0(T ), не зависит от температуры T. Следовательно, произведение en(T ) t0(T ), где en(T) —скорость термической эмиссии электронов с уровня ловушки, является постоянной величиной. Построив зависимость Рис. 3. Графики Аррениуса для электронных ловушек в t0(T ) · T от 1/T в полулогарифмическом масштабе, LT-GaAs. (1–3) — результаты настоящей работы (Q1, Q2, Qможно определить энергию активации Eact термической соответственно), 4 — LTE1 [8], 5 — EAL2 [10], 6 — LT 1 [9], эмиссии электронов с этой ловушки в соответствии с 7 — EL3 [10,16].

выражением 2 ln[t0(T1) · T1 ] - ln[t0(T2) · T2 ] Eact = k, 1/T1 - 1/Tгде k — постоянная Больцмана, T1, T2 — два значения температуры.

Pages:     || 2 |



© 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.