WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Влияние лазерного излучения на плотность электронных состояний границы раздела диэлектрик–арсенид галлия © Л.Н. Возмилова, В.И. Гаман, В.М. Калыгина, А.В. Панин, Т.П. Смирнова† Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов, 634045 Томск, Россия Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете, 634050 Томск, Россия † Институт неорганической химии Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 17 апреля 1996 г. Принята к печати 4 июня 1996 г.) Исследовано влияние отжига импульсным лазерным излучением с длинами волн 0.69 и 308 мкм на вольт-фарадные, вольт-сименсные характеристики и плотность поверхностных состояний границы раздела диэлектрик–(n, p)-GaAs в зависимости от плотности энергии излучения.

Высокая плотность поверхностных электронных сос- плазмохимическим способом после обезжиривания тояний (ПЭС) на границе раздела GaAs–диэлектрик полупроводниковые подложки травили в плазме NH3 в обусловливает слабую зависимость поверхностного по- течение 2 3 мин. Диэлектрические пленки толщиной тенциала s от напряжения (U) на затворе и препят- d = 115 190 нм выращивали в реакторе туннельного ствует реализации МДП транзистора на основе арсени- типа [15] при температуре подложки Ts = 200C (BN) да галлия. Попытки снизить плотность ПЭС сводятся и 400C (SixNyOz, SiO2). Анодный окисел осаждали к обработке GaAs в пассивирующих растворах [1–5], в вольт-статическом режиме. Электрод к диэлектрику воздействию высокочастотной плазмой [6,7], нанесению (управляющий электрод) с фиксированной площадью пленок различного состава на поверхность полупровод- S = 2 · 10-3 см2 получали после ИЛО термическим ника [8–10] и подбору материала диэлектрика [11,12]. испарением NiCr через соответствующие шаблоны.

При использовании пассивирующих обработок удается Длина волны лазерного излучения = 0.69 мкм (длиуменьшить плотность ПЭС и, по мнению авторов, ”от- тельность импульса = 1 · 10-3 с) и = 0.308 мкм крепить” уровень Ферми на поверхности GaAs. Однако ( = 3 · 10-8 с) выбиралась из условия прозрачности диэффект оказывается обратимым: спустя некоторое время электрика, что позволяло обрабатывать непосредственно поверхность возвращается к исходному состоянию [2,13] границу раздела полупроводник–диэлектрик. ИЛО прои вновь наблюдаются особенности в поведении МДП водился со стороны диэлектрика до нанесения упраструктур на переменном сигнале, обусловленные вы- вляющего электрода. Плотность энергии излучения (W ) сокой плотностью ПЭС и большим набором времен варьировалась от нуля до 15 20 Дж/см2 для излучерелаксации. ния с = 0.69 мкм и до 100 150 мДж/см2 в слуОдним из эффективных способов управления грани- чае = 0.308 мкм.

цей раздела GaAs–диэлектрик может быть импульсный Вольт-фарадные и вольт-сименсные характеристики лазерный отжиг (ИЛО) [14] в сочетании с подбором измерялись в диапазоне частот f = 103 106 Гц при диэлектрика. В данном сообщении обсуждаются резуль- комнатной температуре. Погрешность в определении таты исследования влияния ИЛО на вольт-фарадные емкости (C) на частоте 1 МГц не превышала ±0.1пФ (ВФХ) и вольт-сименсные (ВСХ) характеристики струк- в области смещений U = ±5В и ±0.35 пФ при более тур металл–диэлектрик–GaAs. высоких значениях U. Активная составляющая полной проводимости (G) определялась с точностью ±1мкСм.

Методика эксперимента Экспериментальные данные Образцы изготавливались на основе эпитаксиальных слоев электронного (уровень легирования Вольт-фарадные и вольт-сименсные характеристики Nd = 1 · 1015 2 · 1016 см-3) и дырочного (уровень МДП структур независимо от типа проводимости GaAs легирования Na =(1 2) · 1016 см-3) арсенида галлия, и материала диэлектрика имеют сильную частотную завыращенных на подложках n+- и p+-типа проводимости висимость вплоть до 106 Гц. Несколько меньшая зависисоответственно и ориентированных в плоскости (100) A. мость ВФХ и ВСХ от частоты наблюдается для образцов В качестве диэлектрика использовались пленки, с BN. Однако слои интрида бора, синтезированные при полученные плазмохимическим методом: оксинитрид низкой температуре, обладают недостаточной электрикремния (SixNyOz), диоксид кремния (SiO2), нитрид ческой прочностью. С учетом этого для проведения избора (BN), двойные слои (BN + SixNyOz), а также мерений до напряжений 40 50 В поверх BNнаносили пленки анодного окисла. Перед нанесением диэлектрика пленку оксинитрида кремния. Для всех исследованных Влияние лазерного излучения на плотность электронных состояний границы раздела... Cd, Na,d Ntt, 1012 Ntt, 1012 Nt, 1011 Nt, 1011 W, № Структура пФ 1015 см-3 см-2 · эВ-1 см-2 · эВ-1 см-2 · эВ-1 см-2 · эВ-1 Дж/смобразца до ИЛО после ИЛО до ИЛО после ИЛО 1 M–SixNyOz–p-GaAs 75 3.0 30 2.8 4.8 5.4 2 M–SixNyOz–BN–n-GaAs 76 1.5 62 39 1.4 5.7 3 M–анодный окисел–p-GaAs 81 20 7.5 4.3 4.8 7.7 2.6 7.4 6.9 6.4 Примечание. M — металл.

МДП структур максимальное значение емкости меньше рактеристик на участке модуляции емкости, возрастает расчетной емкости диэлектрика (Cd) (см. таблицу). При Cmax (кривые 2, 3). Одновременно более узким становитиспользовании одного и того же диэлектрика модуляция ся максимум на вольт-сименсной характеристике, а его емкости и максимум активной проводимости наблюда- положение на оси напряжений соответствует меньшим ются при отрицательных напряжениях для структур на значениям |U| (кривые 2, 3). С увеличением W наблюдаоснове p-GaAs и при положительных для образцов на ется обратный эффект: ВФХ и ВСХ смещаются в область основе n-GaAs. больших отрицательных напряжений, снижается Cmax, Независимо от типа проводимости GaAs и длины вол- уменьшается dC/dU (рис. 1, кривые 4, 5).

ны излучения после импульсного лазерного отжига ВФХ После ИЛО с = 0.69 мкм и W 8Дж/см2 также и ВСХ смещаются вдоль оси напряжений, изменяется уменьшается дисперсия ВФХ (рис. 2). Аналогичные максимальное значение активной проводимости (Gmax), данные получены для МДП структур на основе электрона также величина минимальной (Cmin) и максимальной ного арсенида галлия. Разница лишь в том, что после ла(Cmax) емкости МДП структур. На рис. 1 приведены зерного отжига с W 8Дж/см2 ВФХ и ВСХ смещаются ВФХ и ВСХ для образца на основе дырочного GaAs до в область меньших положительных напряжений.

(кривая 1) и после (кривые 2–5) воздействия лазерного Уменьшение длины волны и длительности лазерноилучения с = 0.69 мкм. При W 6 8Дж/см2 ВФХ и го импульса не влияет на характер изменения элекВСХ смещаются в область более низких отрицательных трических характеристик исследованных образцов. Понапряжений, увеличивается крутизна вольт-фарадных ха- прежнему существует некоторое критическое значение Рис. 2. ВФХ структуры NiCr–анодный окисел–p-GaAs до (1, 2) Рис. 1. ВФХ и ВСХ структуры NiCr–анодный окисел–p-GaAs и после (1, 2 ) ИЛО с W = 10 Дж/см2. f, Гц: 1, 1 — 106;

до (1) и после (2–5) ИЛО с = 0.69 мкм и W, Дж/см2: 2 —8, 2, 2 —103.

3 — 10, 4 —10 (дважды), 5 — 12. f = 106 Гц.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 494 Л.Н. Возмилова, В.И. Гаман, В.М. Калыгина, А.В. Панин, Т.П. Смирнова раздела SixNyOz–n-GaAs при W > 15 20 Дж/см2 отмечена в работе [14].

Изменение электрических характеристик МДП структур на основе GaAs в результате ИЛО не является кратковременным. Измерения на образцах, подвергнутых лазерному воздействию непосредственно после отжига, через год и через три года показывают примерно одинаковые результаты.

Обсуждение экспериментальных данных При анализе экспериментальных данных прежде всего отметим неравенство значений Cmax и Cd. Это свиРис. 3. ВФХ структуры NiCr–анодный окисел–n-GaAs до (1) детельствует о том, что в рассматриваемом интервале и после (2–5) ИЛО с = 0.308 мкм и W, мДж/см2: 2 —4.6, напряжений режим аккумуляции не реализуется, а по3 —9.1, 4 — 14.6, 5 — 27.4. f = 106 Гц.

явление участка модуляции емкости и максимума активной проводимости обусловлено перезарядкой быстрых поверхностных состояний, которые успевают реагировать на измерительный сигнал на данной частоте [16,17].

В этом случае максимальное значение емкости может быть меньше емкости диэлектрика. Величина Cmax соответствует низкочастотному, а Cmin высокочастотному значению емкости МДП структуры. При увеличении напряжения (U > |U0|) происходит переход от высокочастотного значения емкости МДП структуры CdCdl Chf = = Cmin (1) Cd + Cdl к низкочастотному Cd (Cdl + Ct) Cl f = = Cmax, (2) Cd + Cdl + Ct где U0 — напряжение, соответствующее началу участка модуляции емкости, Рис. 4. ВФХ и ВСХ структуры NiCr–SixNyOz–BN–n-GaAs Ct = Se2Nt(Fs)(3) до (1, 2) и после (3, 4) ИЛО с = 0.308 мкм и W > Wc.

f = 106 Гц. — низкочастотный предел дифференциальной емкости, обусловленной перезарядкой быстрых поверхностных состояний, энергетические уровни которых совпадают с уровнем Ферми (Fs) на поверхности полупроводника;

плотности энергии Wc, определяющее результат воздей- Nt — энергетическая плотность быстрых ПЭС; e —заряд электрона; Cdl — емкость обедненного слоя.

ствия лазерного излучения. После лазерного отжига при Поскольку при U < |U0| емкость МДП структур (Cmin) = 0.308 мкм и W < Wc 9.1мДж/см2 увеличиваются слабо зависит от напряжения (в случае отсутствия неравминимальная и максимальная емкости МДП структуры новестного обеднения), можно считать, что этот участок (рис. 3, кривые 1–3), уменьшается частотная дисперсия ВФХ соответствует режиму сильного обеднения или слаВФХ и ВСХ. В случае W > Wc лазерный отжиг окабой инверсии. Емкость обедненного слоя определяется зывает противоположное действие (рис. 3, кривые 4, 5).

выражением [17] При дальнейшем повышении плотности падающей на образец энергии наблюдается инверсия хода ВФХ и ВСХ.

e 0Nd,a Для образцов на основе n-GaAs с двойным диэлектриком Cdl = S, (4) 2 s(U) после лазерного отжига максимум проводимости и модуляция емкости наблюдаются при отрицательных потенгде — относительная диэлектическая проницаециалах на управляющем электроде (рис. 4, кривые 3 и 4).

мость полупроводника, 0 — электрическая постоянная, Аналогичная инверсия ВФХ и ВСХ после воздействия |s(U)| — абсолютное значение поверхностного потенизлучения с = 0.69 мкм и = 1 · 10-3 с на границу циала при напряжении U.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние лазерного излучения на плотность электронных состояний границы раздела... Используя (1) и (4), можно оценить поверхностный нием медленных поверхностных состояний (за исключепотенциал при U = 0, s(0) до и после воздействия ла- нием Cmax).

зерного излучения. Известно, что в GaAs значение s(0) Анализ возможного механизма изменения плотности определяется полной плотностью поверхностных состо- ПЭС под действием импульсного лазерного отжига прояний (Ntt), энергетические уровни которых расположены ведем на основе электронно-деформационно-тепловой вблизи уровня Ферми на поверхности (Fs) [17] и которые (ЭДТ) модели, предложенной в работах [19,20] для условно можно разделить на быстрые и медленные. Для объяснения изменения концентрации дефектов в поструктур NiCr–анодный окисел–n-GaAs (рис. 3) рас- лупроводниках при воздействии лазерного излучения.

чет проводился при следующих значениях параметров:

В данной модели предполагается многофакторное дейS = 2 · 10-3 см2, диэлектрическая проницаемость анаод- ствие ИЛО на поверхность полупроводника: возбужденого окисла d = 8.5 и Nd =5 · 1015 см-3. До лазерного ние электронной подсистемы, повышение температуры отжига s(0) =0.81 В и снижается до 0.67 В после и возникновение деформации как за счет теплового воздействия лазерного излучения с W = 9.1мДж/см2.

расширения приповерхностной области полупроводника, Отжиг структур при W = 27.4мДж/см2 приводил к уве- так и благодаря действию фотострикционного эффекта.

личению s(0) до 0.97 В. При расчетах предполагалось, В зависимости от плотности энергии W тот или иной что концентрация носителей заряда в приповерхностной фактор может оказаться преобладающим.

области GaAs при ИЛО не изменяется.

В наших экспериментах использовались плотности Вариация высоты потенциального барьера на поверхэнергии лазерного излучения, не превышающие порог ности арсенида галлия после ИЛО коррелирует с уменьплавления GaAs (W < Wm). Учтем, что при вышешением полной плотности поверхностных состояний Ntt указанных длинах волн энергия кванта лазерного изпри малых W и увеличением при W > Wc (см. таблицу).

лучения больше ширины запрещенной зоны GaAs, что Значения Ntt определялись с помощью метода, описанобеспечивает межзонные переходы и приводит к резкому ного в работе [17]. Однако реально при импульсном росту концентрации неравновесных носителей заряда в лазерном отжиге может изменяться не только s(0), но и области поглощения.

концентрация примеси в приповерхностной области поПо-видимому, при W < Wc нагрев и деформация полупроводника. Этот эффект особенно важен при отжиге верхности полупроводника оказываются менее сущеструктур с W > Wc.

ственными по сравнению с электронным возбуждением, Согласно (2) и (3), повышение и снижение максикоторое в основном локализуется на биографических мальной емкости после ИЛО с W < Wc и W > Wc соотдефектах [19,20]. Концентрация их наиболее велика ветственно объясняются изменением плотности быстрых в тонком приповерхностном слое полупроводника и поверхностных состояний. Для оценки Nt (см. таблицу) непосредственно на границе раздела GaAs–диэлектрик.

использовали выражение Релаксация энергии, запасенная электронной подсисте мой, осуществляется несколькими процессами, в том Gt/ 0.4e2Nt(Fs)S, (5) max числе и электрон-фононным взаимодействием. Будем считать, что энергия, которая выделяется при рекомгде (Gt/)max — нормированное на частоту максибинации или захвате неравновесных носителей заряда, мальное значение активной проводимости, обусловленоказывается достаточной для размножения дефектов, ной перезарядкой быстрых поверхностных состояний.

ответственных за быстрые поверхностные состояния Nt, Значения Gt рассчитывали по формулам, приведенным в энергетическая плотность которых сравнительно маработе [17]. Как следует из таблицы, плотность быстрых ла (Nt 1011 см-2 · эВ).

поверхностных состояний Nt увеличивается после ИЛО Возникающие локально возбужденные состояния депри W < Wc и уменьшается при W > Wc.

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.