WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Сульфидная пассивация фотодиодных гетероструктур GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb © И.А. Андреев, Е.В. Куницына, В.М. Лантратов, Т.В. Львова, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 5 августа 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г.) Антимонид галлия и его твердые растворы широко применяются для создания оптоэлектронных приборов для спектрального диапазона 2 5 мкм. Однако высокая химическая активность поверхности приводит к высокой скорости роста собственного окисла и к деградации характеристик приборов на основе этих материалов. Нами проведено исследование пассивации поверхности GaSb и четверных соединений GaInAsSb и GaAlAsSb на его основе в водных растворах Na2S и (NH4)2S. Обнаружено, что при обработке в водных сульфидных растворах таких полупроводниковых материалов присутствует фаза травления. Нами изучено воздействие процесса обработки (тип и молярность раствора, продолжительность обработки) на скорость травления исследованных материалов. Основываясь на полученных результатах, мы определили оптимальные технологические условия пассивации фотодиодных меза-структур на основе GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb и было получено значительное снижение (в 5 10 раз) величины обратного темнового тока.

Пассивация поверхности является важной проблемой Недавно в работах [5,10] было показано, что обработка в технологии структур на основе полупроводниковых поверхности GaSb в сульфидных растворах при создании соединений AIIIBV, поскольку для данной группы полу- диодов Шоттки позволила на порядок уменьшить обратные темновые токи. При этом плотность поверхностных проводников характерны высокая плотность поверхностсостояний достигла рекордно низкой величины для GaSb ных состояний, жесткий пиннинг уровня Ферми, высокая (28)·1012 см-2·эВ-1. Однако для тройных и четверных химическая активность и, как следствие, быстрый рост соединений на основе GaSb результаты исследований по окислов. Пассивация — это одна из попыток управлять влиянию сульфидной обработки неоднозначны [10].

электронными свойствами поверхности путем внесения Данная работа посвящена исследованию влияния обраизменений в ее химическое строение.

ботки в водных сульфидных растворах Na2S и (NH4)2S Для решения этой проблемы предлагались различные на электрофизические свойства полупроводниковых соспособы обработки и различные химические соединения, единений GaSb, GaInAsSb, GaAlAsSb и структур на их в частности H2S и сульфидные растворы Na2S · 9H2O, основе, применяемых при создании гетерофотодиодов (NH4)2S. Уже первые исследования показали, что обрадля спектрального диапазона 1.5 2.5мкм.

ботка полупроводников AIIIBV в сульфидных растворах удаляет окислы и образует на поверхности полупроводника адсорбционное покрытие, состоящее из атомов Объект исследований серы, ковалентно связанных с полупроводником [1]. ИзИсследуемые фотодиодные структуры создавались менения в химическом строении поверхности вызывают методом жидкофазной эпитаксии. Изопериодные изменение ее электронных характеристик — перезакреслои твердых растворов n-Ga0.78In0.22As0.18Sb0.82 и пление уровня Ферми на поверхности [2], уменьшение p-Ga0.66Al0.34As0.025Sb0.975 выращивались последоскорости поверхностной рекомбинации [3], что в свою вательно на подложках n-GaSb ориентации (100), очередь приводит к улучшению электрических [4] и легированных Te до концентрации 1.8 · 1017 см-3.

фотоэлектрических характеристик полупроводниковых Рассогласование периодов решетки слоев и подложки приборов [5].

a/a, определенное методом рентгеновской До сих пор явления, обусловленные сульфидной обдифрактометрии, не превышало 6 · 10-4. Химический работкой, наиболее полно исследованы для бинарных состав каждого твердого раствора определялся на полупроводников, таких как InP, GaP, InAs и особенно рентгеновском микроанализаторе JXA-5 ”Comebax”.

GaAs [6–9]. В то же время пассивация GaSb и его Указанный состав узкозонного твердого раствора твердых растворов исследована лишь в незначительной GaInAsSb (ширина запрещенной зоны Eg = 0.52 эВ) степени [5,10]. Между тем интерес к этим материалам определяет длинноволновую границу чувствительности объясняется их перспективностью с точки зрения софотодиода на уровне 10% = 2.4 мкм. Слой GaAlAsSb здания оптоэлектронных приборов (источников света и (Eg = 1.2эВ) используется в качестве широкозонного быстродействующих фотодетекторов) для спектрального ”окна” и служит для эффективного ввода излучения диапазона 2 5мкм [11–14]. К сожалению, высокая хи- в структуру. Методом стандартной фотолитографии мическая активность поверхности этих полупроводников на пластине создавались меза-фотодиоды с диаметром приводит к деградации приборов на их основе. чувствительной площадки 300 мкм.

654 И.А. Андреев, Е.В. Куницына, В.М. Лантратов, Т.В. Львова, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев Эксперимент образцов в растворе кристаллы промывались деионизированной водой и сушились в потоке азота, затем пленВ работах [15,16] было показано, что в процессе ка SiO2 растворялась и глубина травления измерялась сульфидной обработки поверхности полупроводников профилометром по отношению к исходной поверхности.

типа GaAs с ориентацией (100) происходит не тольДля обработки использовались 0.6 M и 2.4 M растворы ко удаление окислов с поверхности, но и травление Na2S и 3.0 M растворы (NH4)2S. Измеренные величины кристалла. Эти данные говорят о том, что в проpH составляли 13.6 и 13.9 соответственно для натриевых цессе сульфидной пассивации исследуемых многослойрастворов и 9.2 для аммонийных.

ных структур возможно существование фазы травления На рис. 1 представлены результаты, полученные при (причем с различной динамикой для каждого из слообработке n- и p-GaSb в растворах Na2S 0.6 M и 2.4 M.

ев) и что результатом травления может стать искажеОказалось, что процесс травления в обоих растворах ние профиля меза-структуры и, как следствие, ухудшеидет неравномерно. Скорость травления падает со времение электрических характеристик приборов. Поэтому нем. Причем для n-GaSb на начальном этапе обработки на начальном этапе исследований нам было необходискорости травления в обоих растворах приблизительмо определить характер физико-химических процессов, но одинаковы. Однако в насыщенном растворе (2.4 M) происходящих на поверхности (100) GaSb и каждого травление очень скоро прекращается. Нужно отметить, эпитаксиального слоя по отдельности. С этой целью что для p-GaSb эффект травления наблюдается только проводились эксперименты на подложках GaSb (100) при засветке от лампы накаливания. При этом динамиn-типа проводимости, легированных Te до концентрации ка травления p-GaSb существенно неравномерна как в n = 1.8 · 1017 см-3 и на преднамеренно не легирорастворе 0.6 M, так и в растворе 2.4 M.

ванных подложках GaSb (100) p-типа проводимости с Характер травления поверхности n- и p-GaSb и мноконцентрацией p = (1.0 1.4) · 1017 см-3, а также гокомпонентных соединений на его основе в раствона специально выращенных на подложках GaSb (100) рах (NH4)2S существенно отличен от наблюдаемого в одиночных слоях твердых растворов GaInAsSb с конценрастворах Na2S (см. рис. 2). Зависимость глубины трацией (n, p) = (5 10) · 1016 см-3 или GaAlAsSb с травления от времени для всех кристаллов линейна. Одконцентрацией p = 5 · 1018 см-3.

нако скорости травления для каждого из исследованных Для обнаружения эффекта травления исследуемых материалов и определения скорости травления в про- соединений различны, при этом наименьшая скорость цессе сульфидной обработки часть исходной поверхно- травления наблюдалась для образца p-GaInAsSb. Травлести закрывалась слоем SiO2, предохраняющим ее от ние образцов p-GaInAsSb и p-GaAlAsSb в аммонийных контакта с раствором. Скорость травления материалов растворах зависит также от освещения. С повышением определялась из зависимости глубины травления от вре- температуры скорости травления увеличиваются в немени выдержки кристаллов в растворе. После выдержки сколько раз.

Рис. 1. Зависимость глубины травления d GaSb от времени Рис. 2. Зависимость глубины травления d GaSb и его тверобработки t в растворах Na2S с концентрацией 0.6 M (1, 3) и дых растворов от времени обработки t в растворах (NH4)2S:

2.4 M (2, 4). 1, 2 — n-GaSb; 3, 4 — p-GaSb. 1 — p-GaAlAsSb, 2 — n-GaSb, 3 — p-GaSb, 4 — p-GaInAsSb.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Сульфидная пассивация фотодиодных гетероструктур GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb Полученные результаты по динамике травления в процессе сульфидной обработки стали отправной точкой для выбора режимов пассивации боковой поверхности фотодиодных гетерструктур n-GaSb/n-GaInAsSb/p-GaAlAsSb.

Одна из проблем при работе с фотодиодами на основе узкозонных материалов связана с высоким уровнем обратного темнового тока. Известно, что чувствительность и полоса пропускания фотодиодов значительно увеличиваются, когда они работают при обратном смещении. Предельная чувствительность фотодиода определяется его шумами, уровень которых зависит от величины обратного темнового тока. Снижение обратного тока на порядок можно расценивать как значительный успех.

Наши предварительные исследования по уменьшению темновых токов за счет снижения концентрации в активной области и выращивания более совершенных слоев в фотодиодных структурах на основе GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb позволили достичь значений обратных темновых токов (1 10) · 10-6 А [12,14]. Нами использовалась ранее защита боковых поверхностей с помощью анодного окисла. Такая защита позволяла избежать влияния внешней среды на поверхность фотодиодов, но не приводила к существенному улучшению их параметров.

Дальнейший прогресс в этом направлении может быть достигнут за счет уменьшения компоненты темнового тока, обусловленной наличием поверхностных утечек, при пассивации боковой поверхности мезы. Поверхностная составляющая темнового тока дает заметный вклад в полный ток утечки фотодиодной структуры.

Так, изучение зависимости величины темнового тока от диаметра (D) меза-диода показало (см. рис. 3), что при уменьшении D от 1 до 0.2 0.3 мм величина темновоРис. 4. Темновые ВАХ меза-фотодиодов на основе n-GaSb/ n-GaInAsSb/p-GaAlAsSb до (1) и после (2) обработки в водном сульфидном растворе (NH4)2S. a — эпитаксиальная пластина К399, b — эпитаксиальная пластина К405.

го тока падает пропорционально D2 (пропорционально площади мезы), а затем уменьшение темнового тока происходит пропорционально диаметру (периметру мезы), т. е. становится существенным вклад поверхностной составляющей тока.

На полупроводниковых пластинах, прошедших фотолитографию располагалось порядка сотни фотодиодов диаметром 300 мкм. Каждый из этих фотодиодов был исследован нами отдельно с помощью точечно-зондовой установки. Измерялась вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодов. На рис. 4, a, b (кривые 1) приведены результаты измерений типичных ВАХ фотодиодов для двух различных пластин, прошедших фотолитографию (К399 и К405). После проведения измерений пластина Рис. 3. Зависимость обратного темнового тока Id от диаметра раскалывалась на части, на каждой из которых распомезы D фотодиодных структур на основе n-GaSb/n-GaInAsSb/ лагалось не менее 20 30 приборов. Далее каждая из p-GaAlAsSb при обратном смещении U = 0.5В.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 656 И.А. Андреев, Е.В. Куницына, В.М. Лантратов, Т.В. Львова, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев этих частей пластины подвергалась отдельной обработке процесса адсорбции анионов S-2 с образованием мостив сульфидных растворах при различных режимах. На ковой связи S–As–S. Мы полагаем, что в случае GaSb зондовой установке вновь измерялась ВАХ уже пассиви- качественно протекают те же самые процессы. Однако рованных приборов. На рис. 4 (кривые 2) представлены благодаря меньшей энергии связи S–Sb–S по сравнению типичные ВАХ для приборов, подвергнутых обработке с S–As–S скорость замещения группы SH на адатомы в водном растворе (NH4)2S. Отметим, что на указанных серы оказывается заметно выше, что подтверждается рисунках нами представлены данные по исследованию динамикой травления в насыщенных растворах (рис. 1).

пластин, давших наилучшие результаты по темновым Надо отметить, что глубина травления кристаллов GaSb токам. по сравнению с GaAs меньше. Это свидетельствует о Как видно из приведенных кривых, после обработки в том, что процесс травления происходит только в первый сульфидном растворе (NH4)2S величина темнового тока момент контакта поверхности кристалла GaSb с раствоснизилась в 2 5раз (на отдельных образцах до 10 раз).

ром Na2S, который затем очень быстро подавляется из-за При диаметре мезы 300 мкм в диапазоне обратных на- образования пассивирующего покрытия.

пряжений 0 1. В темновой ток имеет величину менее В то же время попытки обработать многослойные 1 мкА. Отсюда можно заключить, что предложенная меза-структуры GaInAsSb/GaAlAsSb в растворах Na2Sне нами обработка в аммонийных сульфидных растворах привели к уменьшению обратных токов, что, возможно, изменила состояние поверхности таким образом, что связано с появлением в запрещенной зоне GaSb энергепривела к снижению поверхностной составляющей тока.

тического уровня, обусловленного связью Sb–S, который может служить каналом для поверхностных токов.

Отметим, что обработка многослойных меза-структур Обсуждение результатов и выводы в аммонийных растворах также сопряжена с определенными трудностями, поскольку лимитирующей стадией Полученные экспериментальные данные свидетельв процессе травления GaSb является растворение гиствуют о том, что в процессе обработки антимонида галдроокиси галлия, которая переходит в раствор только лия и его многокомпонентных соединений в сульфидных за счет взаимодействия с (NH4)OH с образованием растворах наблюдается фаза травления.

комплексного катиона [Ga(NH3)6]-3. В случае твердых 1. При обработке в растворах Na2S, как в ненасырастворов GaInAsSb скорость растворения существенно щенных (0.6 M), так и в насыщенных (2.4 M), скорость замедляется из-за низкой растворимости гидроокиси интравления кристаллов неравномерна и падает со вредия In(OH)3 в щелочных аммонийных растворах.

менем вплоть до прекращения процесса травления. Это указывает на присутствие конкурирующего процесса — Игнорирование разницы в скоростях травления разадсорбции, т. е. образование на поверхности некоторого личных твердых растворов может привести к появлению пассивирующего покрытия, защищающего поверхность микроступеней на боковой поверхности меза-фотодиода от дальнейшего травления. в процессе пассивации, что может неблагоприятно скаВ насыщенном растворе (2.4 M) остановка травления заться на вольт-амперных характеристиках приборов.

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.