WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические характеристики диодов Шоттки Au/Ti–n-GaAs © Д.Н. Захаров¶, В.М. Калыгина, А.В. Нетудыхатко, А.В. Панин+¶¶ Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете, 634050 Томск, Россия Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов, 634050 Томск, Россия + Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, 634021 Томск, Россия (Получена 10 октября 2005 г. Принята к печати 8 ноября 2005 г.) Исследованы электрические свойства диодов Шоттки Au/Ti–n-GaAs в зависимости от технологии получения. Прямые и обратные вольт-амперные характеристики диодов в слабых электрических полях анализируются на основе механизма термоэлектронной эмиссии через барьер металл–полупроводник.

Предполагается, что рост обратных токов в интервале 20-60 B можно объяснить эффектом Пула–Френкеля.

При напряжениях выше 60 B избыточные обратные токи обусловлены туннелированием, облегченным фононами, через глубокие состояния в области обеднения полупроводника.

PACS: 73.30+y, 85.30.De, 85.30.Hi 1. Введение стравливали до толщины 220-250 мкм, и на этой поверхности электрохимическим осаждением слоя Нелинейные свойства вольт-амперных и вольт-фарадAu : Ge толщиной 0.2 мкм создавали омический контакт ных характеристик диодов с барьером Шоттки (ДБШ) к диоду.

на основе контактов металл–n-GaAs используются при Для формирования барьерного электрода по всей разработке детекторов, смесителей, умножителей часповерхности рабочего слоя n-GaAs удаляли SiO2.

тоты и т. д. СВЧ диапазона. Одним из требований, При T = 300C проводили последовательно термичепредъявляемых к ДБШ, используемым в качестве ваское напыление пленок Ti и Au толщиной 0.2 мкм рикапов, являются низкие обратные токи вплоть до каждая с последующей фотолитографией для полунапряжений |U| 200 B.

чения диодов в форме квадратов со стороной 750, В связи с этим представляет интерес выявление ме800 и 860 мкм (табл. 1). Изготовление ДБШ заканханизмов, определяющих величину обратного тока (Irev) чивалось гравировкой Au и Ti на глубину 0.2 мкм диодов.

и вытравливанием меза-структуры глубиной 2-4мкм.

Для защиты меза-структуры использовали химический окисел полупроводника с последующим его отжи2. Методика изготовления образцов гом в азоте при температуре T = 300C в течение 10 мин.

Диоды получали на эпитаксиальных слоях n–GaAs Согласно технологическому маршруту ТМ № 2, срас концентрацией доноров ND =(5 · 1014-1015) см-3, зу после стандартной химической очистки поверхновыращенных на высоколегированных подложках сти полупроводника создавали барьерный контакт. Для (ND 1018 см-3). Эпитаксиальные слои, легированные этого термическим испарением в вакууме на поверхсерой или теллуром, получали методом газофазной ность эпитаксиального слоя GaAs напыляли Ti толщиэпитаксии. В табл. 1 они обозначены соответственно как ной 0.2 мкм и Au толщиной 0.2 мкм при T = 300C.

структуры I или структуры II. Толщина буферного слоя с концентрацией донорной примеси (1-5) · 1017 см-3 Далее подложку стравливали до 220-250 мкм и электрохимическим методом на поверхность n+-GaAs осаждали составляла 3-5 мкм. Толщина рабочего слоя изменялась Au : Ge.

в интервале 10-14 мкм.

После создания омического контакта на лицевой стоДиоды изготавливали по двум технологическим маршроне подложки методом фотолитографии формировали рутам: ТМ № 1 и ТМ № 2. Согласно технолобарьерные электроды. Все последующие операции прогическому маршруту ТМ № 1, ДБШ получали на водили аналогично ТМ № 1.

эпитаксильных слоях, на поверхности которых меТаким образом, различия в технологических марштодом пиролиза предварительно наносили защитный рутах заключались в наличии (ТМ № 1) либо отслой диэлектрика SiO2 толщиной d = 0.5мкм. Затем сутствии (ТМ № 2) на поверхности рабочего слоя высоколегированную часть подложки (ND 1018 см-3) n-GaAs защитного диэлектрика SiO2 и последователь¶ E-mail: vmk@elefot.tsu.ru ¶¶ ности изготовления омического и барьерного конE-mail: pav@ispms.tsu.ru тактов.

748 Д.Н. Захаров, В.М. Калыгина, А.В. Нетудыхатко, А.В. Панин Таблица 1.

№ Технологи- Параметры № Коэффициент SC, мкм2, эВ |Ucr|, В C, пФ b блока ческий марш эпитаксиального слоя образца идеальности b 1 ТМ № 1 Структура II 750 750 XIII/1 0.80 1.162 ± 0.003 150 9.ND = 8.5 · 1014 см-3, XIII/7 0.83 1.124 ± 0.003 170 13.d = 13.9мкм XV/1 0.81 1.108 ± 0.001 170 9.XV/5 0.81 1.187 ± 0.004 165 10.XV/7 0.83 1.109 ± 0.003 170 13.XVI/6 0.80 1.363 ± 0.023 160 14.XVI/9 0.83 1.124 ± 0.002 170 10.2 ТМ № 1 Структура I 860 860 III/3 0.84 1.240 ± 0.064 220 15.ND = 7.0 · 1014 см-3, III/4 0.86 1.036 ± 0.023 220 15.d = 10.8мкм VII/2 0.84 1.422 ± 0.297 185 17.3 ТМ № 1 Структура II 750 750 V/2 0.76 1.028 ± 0.003 170 22.ND = 9.8 · 1014 см-3, VI/2 0.77 1.048 ± 0.015 170 24.d = 10.2мкм 4 ТМ № 2 Структура I 860 860 VI/4 0.98 1.091 ± 0.001 375 6.ND = 7.0 · 1014 см-3, IV/2 0.83 1.156 ± 0.008 310 9.d = 10.8мкм III/5 0.87 1.250 ± 0.001 340 8.IV/5 0.96 1.127 ± 0.002 290 6.5 ТМ № 2 Структура I 750 750 I/3 0.87 1.035 ± 0.001 275 11.ND = 7.5 · 1014 см-3, II/1 0.87 1.033 ± 0.001 235 10.d = 10.8мкм X/1 0.87 1.035 ± 0.001 240 12.6 ТМ № 2 Структура I 800 800 III/1 0.82 1.011 ± 0.001 220 22.ND = 1.1 · 1015 см-3, IV/3 0.82 1.010 ± 0.001 200 22.d = 13.0мкм II/5 0.82 1.010 ± 0.001 220 22.Примечание. ND — концентрация доноров, d — толщина эпитаксиального слоя, SC — площадь диода, — высота барьера, |Ucr| —обратное b напряжение, соответствующее току Irev = 5 мкА.

3. Методика эксперимента b = 1.036-1.422; напряжение, соответствующее обратному току 5 мкА (обозначим его как критическое), Прямые и обратные темновые вольт-амперные ха- |Ucr| = 150-220 В, и емкость диодов при обратном смерактеристики (ВАХ) диодов измеряли по стандартщении -5 В составляла 9.7-17.9пФ (табл. 1). При ной методике. Измерение вольт-фарадных характерииспользовании этого же технологического маршрута стик (ВФХ) проводили на частоте 1 мГц с помощью диоды, изготовленные из эпитаксиальных структур втоизмерителя Е7-12. Микрофотографии рельефа поверхнорого типа (структуры II, см. табл. 1), имели меньшие стей эпитаксиальных слоев GaAs до нанесения барьерзначения = 0.76-0.77 эВ и коэффициента идеальb ного электрода либо защитного диэлектрика выполнены ности b = 1.028-1.048; напряжение, соответствующее с помощью атомного силового микроскопа (АСМ).

обратному току 5 мкА, составляло 170 В.

Диоды, изготовленные без предварительно нанесенного диэлектрика (ТМ № 2), имели следующие па4. Результаты эксперимента раметры: высота потенциального барьера измеb нялась в пределах 0.82-0.98 эВ; коэффициент идеВ табл. 1 приведены наиболее характерные знаальности b = 1.010-1.250; критическое напряжение чения некоторых параметров диодов, полученных на |Ucr| = 200-375 В, и емкость диодов при обратном смеразличных подложках GaAs. Из обратных вольт-фарадщении -5 В составляла 6.0-22.7пФ (табл. 1).

ных характеристик находили зависимости распределения Анализ данных, представленных в табл. 1, показал, мелкой донорной примеси ND по толщине рабочего что чем меньше площадь барьерного электрода, тем уже слоя. Усредненные по толщине эпитаксиального слоя диапазон изменений параметров диодов.

значения ND даны в табл. 1. Из прямых ВАХ по обычной методике [1] определяли коэффициент идеальности b и Независимо от вида технологического маршрута и высоту потенциального барьера. типа легирующей примеси в эпитаксиальном слое напряb В образцах, изготовленных из структур I с диэлек- жение пробоя диодов незначительно превосходило |Ucr| триком (ТМ № 1), высота барьера изменялась и оказалось существенно ниже ожидаемых значений с b в пределах 0.80-0.86 эВ; коэффициент идеальности учетом концентраций ND [2].

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические характеристики диодов Шоттки... Таблица 2.

№ CF, В-1/4 Edp, эВ Ec-F, эВ n0, с 2, с образца V/2 1.021 0.58 ± 0.01 0.13 4.24 · 10-8 1.2 · 10-VI/2 1.085 0.67 ± 0.01 0.13 2.45 · 10-9 9.9 · 10-XVI/6 1.173 0.77 ± 0.01 0.14 3.00 · 10-11 8.9 · 10-XV/7 1.085 0.65 ± 0.01 0.13 2.52 · 10-9 1.1 · 10-III/5 0.990 0.62 ± 0.01 0.16 1.86 · 10-10 1.1 · 10-IV/5 0.948 0.56 ± 0.01 0.16 7.70 · 10-9 6.4 · 10-III/1 1.060 0.89 ± 0.01 0.15 5.16 · 10-13 1.2 · 10-IV/5 1.085 0.94 ± 0.01 0.15 1.65 · 10-13 1.1 · 10-5. Обсуждение результатов электронов в полупроводнике, когда рекомбинационные центры полностью заняты дырками; Cdp — постоянная Рост обратного тока в интервале 20-60 В объясняется Пула–Френкеля в рамках эффекта Пула–Френкеля [1]:

1 2e2en1d0 CF =, (3) IP-F = (CFU1/4 - 1) exp(CFU1/4), (1) kT 0dC2nF где n1 — концентрация равновесных носителей заряда d0 =, (4) eND для случая, когда уровень Ферми совпадает с глубоким 0 — диэлектрическая проницаемость полупроводницентром:

ка.

n1 = Nc exp[-(Ec - Edp)/kT ]; (2) Для учета влияния предэкспоненциального множиNc — плотность состояний в зоне проводимости;

теля на полевую зависимость IP-F от U представим Ec и Edp — энергии, соответствующие дну зоны выражение (1) как проводимости и положению глубокого центра в заIP-F прещенной зоне полупроводника; n0 — время жизни = A(T ) exp(CFU1/4), (5) CFU1/4 - где 2en1dA(T ) =. (6) C2nF Учитывая (2), (5), можно записать:

2ed0nc Ec - Edp ln A(T ) =ln C2n0 kT F IP-F = ln - CFU1/4. (7) CFU1/4 - На рис. 1 экспериментальные данные представлены в соответствии с соотношением (7). Линейные участки зависимостей, представленных на этом рисунке, позволяют найти значения A и энергетический зазор Edp =(Ec - Edp) (табл. 2). В этой же таблице приведены значения CF, а также значения, соответствующие положению уровня Ферми F, рассчитанные с использованием соотношения Nc Ec - F = kT ln. (8) ND Из сопоставлений энергетических зазоров (Ec - Edp) и (Ec - F) следует, что в слабых электрических полях Рис. 1. Зависимости обратных вольт-амперных характеристик в соответствии с соотношением (7), измеренные при темпера- В соотношении (1) и далее под величинами U и I понимаются туре T, K: 1 — 296, 2 — 303, 3 — 313, 4 — 323, 5 — 333, абсолютные значения обратного напряжения |U| и обратного тока 6 — 343, 7 — 353, 8 — 363. |I| Irev.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 750 Д.Н. Захаров, В.М. Калыгина, А.В. Нетудыхатко, А.В. Панин где 23e(E0)-2 =, (10) 3m n S 2 = - ln, (11) 2kT 2 Edp — энергия фонона, S — некоторая константа, Edp — энергия активации глубоких центров.

Максимальная напряженность электрического поля E рассчитывалась по формуле [1] 2en0(Ucr + U) E(0) =. (12) Из значений тангенса угла наклона прямых на рис. в соответствии с формулами (9), (10) определено время туннелирования 2 в зависимости от температуры (рис. 3, кривая 1).

На рис. 3 сравниваются температурные зависимости для 2 и /2kT. Наклон кривой 1 на рис. 3 значительно больше, чем для /2kT. Расхождение теоретических и экспериментальных кривых объясняется вкладом токов, обусловленных эффектом Пула–Френкеля, в экспериментальные значения обратного тока при больших смещениях на диоде, т. е.

Irev = It + IP-F, (13) Рис. 2. Обратные вольт-амперные характеристики диодов где It — составляющая плотности обратного тока, I = f (E2) при температуре T, K: 1 — 296, 2 — 303, 3 — 313, обусловленная туннелированием электронов с участием 4 — 323, 5 — 333, 6 — 343, 7 — 353, 8 — 363.

уровень Ферми лежит выше Edp и, следовательно, этот уровень занят электронами. В сильных электрических полях облегчается термогенерация электронов с глубоких центров, что объясняет рост обратного тока с повышением напряжения на диоде.

Используя экспериментальные значения A, Edp и соотношение (7), оценили величину n0 =, N cnvt где cn — поперечное сечение захвата электрона, vt — тепловая скорость электронов. В табл. 2 приведены значения n0 при T = 300 K. Для диодов, изготовленных на эпитаксиальных структурах II, время жизни n0 = 10-8-10-11 с, а для образцов, полученных на структурах I, n0 = 10-9-10-13 с.

При напряжениях на диодах выше 60 В обратный ток возрастает сильнее, чем IP-F exp(CFU1/4). Предполагается, что рост тока в данном диапазоне напряжений обусловлен туннелированием электронов с участием фононов [3–7]. Экспериментальные данные в интервале обратного напряжения от 60 В до Ucr, согласно рабоРис. 3. Время туннелирования в зависимости от температуры:

те [7], можно представить как 1 — без учета эффекта Пула–Френкеля, 2 — с учетом эффекта It exp(E2/E2), (9) Пула–Френкеля, 3 — /2kT.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические характеристики диодов Шоттки... того, времена жизни в этих диодах на порядок выше, чем в случае диодов, полученных на эпитаксиальных структурах I (табл. 2). При одинаковых условиях изготовления (площадь барьерного электрода, концентрация мелких доноров, тип технологического маршрута и т. д.) диоды, полученные на эпитаксиальных структурах II, имели меньший разброс параметров по подложке.

Из микрофотографий эпитаксиальных слоев GaAs (рис. 4) видно, что рельеф поверхности структуры II (рис. 4, b) выражен существенно меньше, чем для структур I (рис. 4, a). Возможно, это один из факторов, которые определяют несколько лучшие параметры ДБШ, полученных на данных эпитаксиальных слоях.

Ранее проведенными исследованиями установлена связь между рельефом поверхности и плотностью поверхностных состояний Nts, которая определяет коэффициент идеальности b. Сглаживание шероховатости поверхности на контакте GaAs–диэлектрик за счет введения подслоев серы и селена приводило к снижению Nst примерно на порядок [8]. В работе [9] для снижения обратных токов диодов Шоттки Au/Ti–GaAs предложено проводить химическую нитридизацию поверхности арсенида галлия перед нанесением барьерного контакта.

Показано, что после такой обработки сглаживается микрорельеф поверхности, а образовавшаяся нитридная пленка термоустойчива.

Для снижения обратных токов необходимо уменьшать концентрацию глубоких центров. Природа глубоких Рис. 4. Микрофотографии поверхности эпитаксиальных струкуровней, с которых осуществляется термогенерация, тур I (a) и II (b). Справа приведена шкала для количественной облегченная сильным электрическим полем, неизвестна.

оценки неоднородности рельефа поверхности.

Экспериментальные результаты, полученные в данной работе, не позволяют сделать однозначный вывод о причине их появления. Значения Edp = Ec - Edp, привефононов. Для учета вклада IP-F в обратный ток при денные в табл. 2, дают возможность предположить, что высоких напряжениях из полного измеренного тока Irev глубокие центры могут быть обусловлены существовавычитали значения, которые получали экстраполяцией нием EL2-центров, которые энергетически расположены зависимости примерно в середине запрещенной зоны.

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.