WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 5 Влияние водорода на свойства диодных структур с квантовыми ямами Pd/GaAs/InGaAs ¶ © И.А. Карпович, С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, Б.Н. Звонков Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 26 ноября 2001 г. Принята к печати 26 ноября 2001 г.) Исследовано влияние водорода на фотоэлектрические свойства и фотолюминесценцию диодных структур с квантовыми ямами Pd/GaAs/InGaAs. Выяснено влияние толщины анодного окисла GaAs на характеристики этих структур, и определена его оптимальная толщина для водородных сенсоров. Установлено существенное влияние металлических мостиков в тонких слоях окисла на вольт-амперные характеристики структур.

Показано, что квантовые ямы повышают чувствительность структур к водороду. С использованием квантовых ям как индикаторов дефектов обнаружено и исследовано образование дефектов при нанесении Pd-электрода на естественную и окисленную поверхность GaAs. Установлена возможность пассивации дефектов в квантовых ямах диодных структур путем введения атомарного водорода через Pd-электрод при обработке структур в атмосфере молекулярного водорода.

1. Введение Эффект пассивации дефектов и примесей атомарным водородом широко исследовался в однородных полупроДиодные структуры на основе Si, GaAs и некотоводниках (см., например, обзор [10]) и в последнее время рых других полупроводников с выпрямляющим Pd-конизучается в квантово-размерных структурах [8,11–13].

тактом, который обладает высокой каталитической акПри традиционном способе введения атомарного вотивностью, привлекают к себе внимание в связи с воздорода в полупроводниковые структуры из водородной можностью создания на их основе высокочувствительплазмы газового разряда трудно избежать сопутствуюных и быстродействующих водородных сенсоров [1–4].

щего гидрогенизации процесса генерации дефектов на Известно, что для проявления сенсорных свойств этих поверхности. В связи с этим представляет интерес выясструктур необходимо наличие между Pd и полупронение возможности бездефектного введения атомарного водником тонкого диэлектрического слоя, в качестве водорода в GaAs из атмосферы молекулярного водорода которого обычно используется собственный окисел пос использованием каталитических свойств Pd-электрода.

лупроводника. Предполагается, что он предотвращает Цель данной работы — исследование влияния водохимическое взаимодействие Pd с полупроводником, при рода на свойства диодных структур Pd/GaAs со слоем котором образуется сплав или соединение Pd, не обладаанодного окисла на поверхности GaAs и встроенными ющее каталитическими свойствами. Механизм прохожв приповерхностной области GaAs квантовыми ямадения тока в диодах с туннельно-прозрачным слоем ми InGaAs: фотоэлектронные характеристики структур, окисла (в МОП диодах) изучался в ряде работ [5–7].

их чувствительность к водороду, явления дефектообПредставляет интерес исследование действия водоразования и водородной пассивации дефектов в этих рода на диодные структуры Pd/GaAs с встроенными в структурах.

приконтактной области GaAs напряженными квантовыми ямами (КЯ) InGaAs, в частности изучение сенсорных свойств таких структур и явления пассивации дефектов 2. Методика эксперимента в них атомарным водородом. Напряженный слой КЯ создает для мигрирующих дефектов и примесей потен- Гетероструктуры с КЯ GaAs/InGaAs выращивались циальный барьер, если их проникновение в материал КЯ методом газофазной эпитаксии при атмосферном давлеувеличивает упругие напряжения в ней, или потенциаль- нии с использованием металлорганических соединений ную яму в противоположном случае. В [8] показано, что In, Ga и арсина (метод МОСГЭ) на подложках (100) встроенные вблизи поверхности КЯ InGaAs препятству- n-GaAs с концентрацией электронов n0 1016 см-3. Три ют диффузии водорода и дефектов в объем GaAs и могут КЯ Inx Ga1-xAs (x 0.2), ширина которых уменьшалась сильно влиять на пространственное распределение и при удалении от поверхности и составляла 10, 5 и природу образующихся водородо-дефектных комплексов 3 нм для 1-й, 2-й и 3-й КЯ соответственно, встраиваи, следовательно, на электронные свойства структур.

лись в область пространственного заряда слоя n-GaAs.

Этот эффект может быть использован для улучшения Толщина покровного и промежуточных между КЯ слосенсорных характеристик таких структур, в частности ев GaAs составляла 30 нм, всего эпитаксиального для повышения их чувствительности к водороду. Кроме слоя — 0.6 мкм. Покровный слой GaAs перед нанесетого, квантовые ямы можно использовать в качестве зоннием Pd обычно подвергался анодному окислению в дов — детекторов дефектов [9] для выяснения характера 3%-м растворе винной кислоты с этиленгликолем (1: 1) взаимодействия Pd с GaAs.

на глубину от 2 до 14 нм. Полупрозрачный Pd-электрод ¶ E-mail: fdp@phys.unn.ru с номинальной толщиной 20 нм наносился на структуру Влияние водорода на свойства диодных структур с квантовыми ямами Pd/GaAs/InGaAs при температуре 100C методом термического испарения в вакууме.

Влияние водорода на характеристики структур изучалось в условиях работы газового сенсора или в обычных условиях после термообработки в водороде. В первом случае исследовалось влияние на характеристики структур при температуре T = 100C воздушно-аргоновой смеси с объемной концентрацией водорода CH от 0.2 до 4 %. Во втором случае исследовался при комнатной температуре остаточный эффект кратковременного отжига структур в водороде при атмосферном давлении.

Измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур I(V ), фотоэдс в режиме разомкнутой цепи Vph, фототок короткого замыкания Iph, спектры фотолюминесценции IPL(h). Измерения спектров фотолюминесценции (ФЛ) проводились при 77 K.

3. Результаты и обсуждение В полученных диодных структурах высота барьера на контакте Pd/GaAs составляла 0 = 0.8-0.9эВ и коэффициент идеальности прямой ветви ВАХ (I exp(qV /mkT)) m = 1.01. Однако после прогрева при 100C величина 0 уменьшалась на 0.1 эВ, а коэффициент m возрастал до 1.07, и при последующих измерениях эти величины практически не изменялись.

Обдувание диодных структур водородсодержащей газовой смесью при 100C приводило к уменьшению высоты барьера, что проявлялось в сдвиге прямой ветви ВАХ при заданном значении тока в сторону меньших Рис. 1. Влияние толщины анодного оксида GaAs на характеринапряжений смещения на величину VI и к уменьшению стики диодной структуры: 1 — фотоэдс Vph, 2 — вольтовая чувфотоэдс на величину Vph. Эти величины использоваствительность к водороду Vph, 3 — токовая чувствительность лись в качестве характеристик соответственно токовой к водороду VI, (4, 5) —прямой ток I диодной структуры в и вольтовой чувствительности структур к водороду.

потоке водородсодержащей смеси и на воздухе соответственно, (6, 7) —обратный ток I диодной структуры в потоке водородсодержащей смеси и на воздухе соответственно, 8 — фототок 3.1. Влияние толщины анодного окисла короткого замыкания Iph. T = 100C, концентрация CH = 4%.

на характеристики структур Вопрос о влиянии толщины анодного окисла dox на характеристики структур представляет интерес в связи с окисла (кривая 2). При этом наблюдается сравнительное важной ролью диэлектрического слоя в работе газовых небольшое уменьшение фотоэдс даже при максимальных сенсоров. В литературе отсутствуют соответствующие толщинах окислов. Интересно, то в некотором интерваданные для исследованного в данной работе типа МОП ле толщин при воздействии водорода происходит даже структур.

необычное уменьшение прямого тока ( VI < 0). Как Как видно из рис. 1, при малых толщинах окисла следует из кривых 2, 3, оптимальная толщина окисла, (до 4 нм) фотоэдс увеличивается примерно в 1.5 раза при которой структуры имеют максимальную чувствис ростом dox (кривая 1), что указывает на увеличение тельность к водороду, составляет 4-5нм.

высоты барьера в GaAs при анодировании поверхности.

Прямой ток экспоненциально уменьшается с ростом Вероятно, это увеличение обусловлено образованием толщины окисла (кривая 5) с изломом при dox 7нм.

при анодировании встроенного отрицательного заряда в Обратный ток значительно слабее зависит от толщины окисном слое [14]. Чувствительность к водороду появокисла (кривая 7). Качественно подобные зависимости ляется только после образования окисла (кривые 2, 3), прямого и обратного тока от толщины диэлектрика что в основном связано с ослаблением химического предсказывает теория туннельных МОП диодов [7].

взаимодействия Pd с GaAs [15].

При толщинах окисла, превышающих 5нм, проис- Однако на основе этой теории не удается объяснить тот факт, что вычисленная по теории [7] из наклона ходит уменьшение чувствительности к водороду, причем токовая чувствительность (по VI) исчезает раньше и этой зависимости высота энергетического барьера в практически полностью (кривая 3), а вольтовая чувстви- окисле, через который должно происходить туннелительность уменьшается более слабо с ростом толщины рование, оказывается чрезвычайно малой ( 10 мэВ) Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 584 И.А. Карпович, С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, Б.Н. Звонков для трапецеидального барьера, тогда как действительная окисла становится соизмеримой с длиной диффузии высота этого барьера составляет 1.6эВ [16]. На основе водорода в окисле, а резкое уменьшение токовой чувтуннельного механизма прохождения тока также трудно ствительности — с перераспределением напряжения понять независимость фототока короткого замыкания от между барьером и металлическими мостиками в результолщины окисла вплоть до толщины 7нм (кривая 8).

тате уменьшения внутреннего сопротивления диодной Мы полагаем, что относительно слабая зависимость структуры в водороде. При dox 8 нм металлические прямого тока и независимость фототока от dox обу- мостики уже практически не влияют на токоперенос и словлены наличием в достаточно тонком окисном слое слой окисла играет роль последовательного сопротивмножества микроскопических металлических мостиков ления, ограничивающего ток структуры. Выпрямление Pd, которые, вероятно, образуются благодаря наличию в таком случае почти исчезает и фототок уменьшается пор в этом слое. При достаточно малой номинальной на 2 порядка.

толщине окисного слоя dox эти мостики могут быть сквозными, но с ростом толщины все большая их часть 3.2. Влияние квантовых ям оканчивается внутри окисного слоя. При этом эффективна чувствительность структур к водороду ная толщина окисного слоя в локальных участках, через которые в основном идет ток, может быть значительно На рис. 2 показана зависимость отклика структур с меньше номинальной толщины при ее малых значе- КЯ и без КЯ на напуск водорода от его концентрации.

ниях, что и определяет несоответствие рассчитанной Видно, что наличие квантовых ям в приповерностной высоты туннельного барьера его истинному значению.

области GaAs повышает чувствительность структур к С этой точки зрения с ростом dox при малых толщинах водороду, причем эффект особенно значителен при мауменьшается эффективная площадь диодной структуры, лых толщинах окисла. Естественно объяснить повышепричем ее изменение оказывает влияние в основном на ние чувствительности к водороду тем, что напряженные прямой темновой ток, когда внутреннее сопротивление КЯ, расположенные вблизи поверхности, препятствуют диодной структуры сравнительно невелико. Фотоактивдиффузии водорода в объем полупроводника [8], что ная площадь диода, определяющая значение Iph, при должно увеличивать его концентрацию как в слое окисэтом не меняется и практически равна геометрической ла, так и на его границе с GaAs.

площади Pd-контакта. Пока сопротивление мостиков Исследование кинетики воздействия водорода покане станет соизмеримым с внутренним сопротивлением зало, что времена релаксации при импульсном воздейосвещенного фотоэлемента, именно они будут опредествии водорода практически одинаковы для диодных лять Iph. В качестве подтверждения такой модели влиструктур с КЯ и без них. При напуске водорода время яния толщины окисла на электрические и фотоэлектрирелаксации 1 c, при выключении водорода 10 с.

ческие характеристики структур можно рассматривать Наблюдалось ускорение восстановительной релаксации тот факт, что до толщины окисла 5 нм коэффициент примерно на порядок при приложении к диодной струкидеальности ВАХ остается близким к единице. Известно туре отрицательного смещения, что можно связать с затакже, что анодные окисные пленки малой толщины меной механизма обратной диффузии на электроперенос имеют сквозные отверстия, которые по мере увеличения протонов в слое окисла.

толщины зарастают окислом, а отверстия превращаются Заметим, что в режиме работы газового сенсора в утоньшения [17].

не было обнаружено какого-либо остаточного эффекта В атмосфере, содержащей водород, происходит значивоздействия водорода на фотолюминесценцию из КЯ тельное увеличение прямого тока и еще более сильное даже после охлаждения структур в потоке водородной увеличение обратного тока (кривые 4, 6). При оптисмеси.

мальной толщине окисла выпрямление почти исчезает, а фотоэдс уменьшается в 3 раза в области максимума кривой 2, что свидетельствует о значительном снижении высоты барьера в GaAs при действии водорода. Как известно, на поверхности GaAs происходит закрепление уровня Ферми вблизи середины запрещенной зоны, что приводит к образованию обедненного слоя с высотой барьера 0.7 эВ, и высота почти не зависит от природы металла в диодной структуре. Согласно [4], уменьшение высоты этого барьера в водороде в основном связано с химической адсорбцией атомарного водорода на границе окисел / GaAs, при которой электроны переходят в GaAs, а протоны остаются на границе раздела и уменьшают результирующий отрицательный заряд поверхности. Эта модель удовлетворительно объясняет как механизм водородной чувствительности диодных структур, так и ее зависимость от толщины окисла. Уменьшение вольтовой Рис. 2. Зависимость отклика на водород для структуры с чувствительности можно связать с тем, что толщина квантовыми ямами (1) и без квантовых ям (2).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Влияние водорода на свойства диодных структур с квантовыми ямами Pd/GaAs/InGaAs 3.3. Дефектообразование и водородная пассивация дефектов в структурах Фотолюминесценция в КЯ, расположенных вблизи поверхности полупроводника, очень чувствительна к процессам дефектообразования, происходящим на поверхности и связанным, в частности, с протеканием на ней химических реакций.

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.