WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 10 Аккумуляция электронов в слоях GaAs, выращенных при низкой температуре и содержащих кластеры мышьяка © П.Н. Брунков, В.В. Чалдышев, Н.А. Берт, А.А. Суворова, С.Г. Конников, А.В. Черниговский, В.В. Преображенский†, М.А. Путято†, Б.Р. Семягин† Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Птербург, Россия † Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 10 февраля 1998 г. Принята к печати 11 февраля 1998 г.) Методом емкостной спектроскопии исследованы свойства барьеров Шоттки Au/GaAs на структурах, в которых тонкий слой арсенида галлия, выращенный при низкой температуре (LT-GaAs) и содержащий кластеры As, был вставлен между двумя однородно легированными слоями n-GaAs, выращенными при стандартных температурах. Обнаружена аккумуляция элктронов в слое LT-GaAs, которая сопровождается образованием областей обеднения в прилегающих слоях n-GaAs. Эмиссия электронов из LT-GaAs при 300 K приводит к появлению протяженного плато на зависимости емкости от напряжения. Установлено, что наличие слоя LT-GaAs толщиной 0.1 мкм, вставленного между гораздо более толстыми слоями n-GaAs, приводит к увеличению напряжения электрического пробоя до 230 кВ/см, что значительно превышает величины, характерные для стандартных структур Au/n-GaAs.

Введение (100). Образцы состояли из слоя n-GaAs(Si) (толщина 0.5 мкм, температура роста 580C, концентрация элекАрсенид галлия, выращенный методом молекулярно- тронов 21016 см-3), слоя LT-GaAs (толщина 0.1мкм, лучевой эпитаксии при низких температурах T < 300C температура роста 200C) и слоя n-GaAs(Si) (толщина (LT -GaAs), привлекает большое внимание благодаря 0.5 мкм, температура роста 580C, концентрация элекбольшому электрическому сопротивлению, высокому на- тронов 2 1016 см-3). Выращивание верхнего n-GaAs пряжению пробоя и рекордно малому времени жизни не- слоя структуры в течение 0.5 ч приводило к отжигу слоя равновесных носителей заряда [1–5]. Главной особенно- LT-GaAs и формированию в нем кластеров мышьяка.

стью LT-GaAs является излишек мышьяка (до 1.5 ат%), Исследования кристаллической структуры образцов захватываемый в растущий слой при низкотемператур- проводились методом просвечивающей электронной миной эпитаксии. При этом создается высокая концентра- кроскопии (ПЭМ) в поперечном сечении и в плосция точечных дефектов, типа антиструктурного дефекта кости роста. Использовался электронный микроскоп AsGa межузельного мышьяка Asi, вакансии галлия VGa и Philips EM 420 с ускоряющим напряжением 100 кВ.

их комплексов. В процессе отжига LT -GaAs при высокой Барьеры Шоттки формировались путем напыления Au температуре (T > 500C) происходит формирование на- на поверхность образцов. Диаметр контактов Шоттки норазмерных кластеров As, встроенных в матрицу GaAs.

составлял 0.35 мм. Исследования вольт-фарадных (C-V) Такие кластеры, как и точечные дефекты, должны быть характеристик проводились на частотах 100 Гц–1 МГц электрически активными и могут влиять на электронные в диапазоне температур 77-300 K. Амплитуда измерясвойства материала.

емого сигнала была 25 мВ. Кроме того, исследовались В данной работе методом емкостной спектроскопии зависимости проводимости (G) структуры от величины исследованы структуры с барьером Шоттки Au/GaAs, в обратного смещения.

которых тонкий слой LT-GaAs, содержащий кластеры As, Электрохимическое C-V-профилирование было пробыл вставлен между двумя однородно легированными ведено по стандартной методике на частоте 3 кГц [6].

слоями n-GaAs, выращенными при стандартных температурах. Цель работы состоит в исследовании влияния Результаты эксперимента тонкого слоя LT-GaAs на электрические свойства структуры.

На рис. 1, a, b представлены электронно-микроскопические изображения поперечного сечения одной из Образцы и методика эксперимента исследованных структур. Видно, что слой LT -GaAs, содержащий кластеры мышьяка, имеет толщину 0.1мкм Исследованные образцы были выращены методом и заключен между слоями n-GaAs, не содержащимолекулярно-лучевой эпитаксии в двухкамерной уста- ми кластеров. Плотность кластеров в слое составляет новке ”Катунь” на подложках n+-GaAs с ориентацией 4 1011 см-2, а их средний размер 10 нм.

Аккумуляция электронов в слоях GaAs, выращенных при низкой температуре... Рис. 1. a — светлопольное ПЭМ изображение (g = 220) поперечного сечения структуры n-GaAs/LT-GaAs/n-GaAs.

b — увеличенное ПЭМ изображение тонкого слоя LT -GaAs, содержащего кластеры мышьяка.

Вольт-фарадные характеристики структуры При 300 K с увеличением обратного смещения емAu/n-GaAs/LT-GaAs/n-GaAs/n+-GaAs, измеренные кость сначала быстро уменьшается, затем (при -2В) на частоте 10 кГц при 94 и 300 K, представлены на резко падает и далее остается почти постоянной в ширис. 2, a. роком интервале напряжений. Область квазипостоянной емкости простирается от 2 до -12 В. При дальнейшем увеличении обратного напряжения емкость постепенно уменьшается. При напряжениях около -25 В наблюдается электрический пробой.

При уменьшении температуры широкое плато на C-V -характеристиках постепенно сужается. При 95 K плато не наблюдается, и за скачком емкости при -2В сразу происходит ее постепенное уменьшение (рис. 2, a).

Следует отметить, что наблюдаемые особенности C-V -характеристик при 300 и 94 K не связаны с токами утечки. Как видно из рис. 2, b, проводимость структуры при обратных смещениях мала. Пики проводимости связаны с резкими изменениями емкости при увеличении обратного напряжения.

Пользуясь приближением обедненного слоя, из C-V-характеристики были рассчитаны профили распределения концентрации свободных носителей (NCV -W):

C3 NCV (W ) =, W = A, (1) dC C q0 dV где q — заряд электрона, 0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая проницаемость полупроводника, W — ширина области пространственного заряда, A — площадь барьера Шоттки.

Рис. 2. C-V - (a) и G-V - (b) характеристики структуры Рассчитанные профили для 300 и 94 K представлены на Au/n-GaAs/LT-GaAs/n-GaAs/n+-GaAs, измеренные на частоте рис. 3, a.

10 кГц при 300 K (1) и 94 K(2).

2 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1172 П.Н. Брунков, В.В. Чалдышев, Н.А. Берт, А.А. Суворова, С.Г. Конников, А.В. Черниговский...

ся на краю области обеднения, индуцированной слоем LT-GaAs. Однако при меньших частотах измерений пик смещается в середине области обеднения, и при предельно низких частотах ( 100 Гц) его положение соответствует геометрическому положению слоя LT -GaAs в структуре (рис. 3, b). Следует отметить, что при 94 K плато на C-V-характеристиках не наблюдается и пик эмиссии в профилях NCV - W отсутствует при любых использованных частотах измерений.

Обсуждение результатов Проведенные исследования показали, что присутствие тонкого слоя LT -GaAs приводит к значительному увеличению напряжения электрического пробоя диода Шоттки. Средняя по структуре напряженность электрического поля пробоя составляет 230 В/см, что соответствует значениям, характерным для толстых слоев LT -GaAs [7], и существенно превышает величины, характерные для обычного n-GaAs и стехиометрического полуизолирующего GaAs.

Наблюдаемое поведение C-V - и NCV -W-характеристик указывает на аккумуляцию электронов внутри и истощения вокруг слоя LT -GaAs [8–10]. Наличие встроРис. 3. a — сравнение NCV -W -характеристик, рассчитаненных областей обеднения приводит к появлению скачка ных из C-V -измерений на частоте 10 кГц при 300 K (1) на C-V-характеристиках при -2 В, когда эти области и 94 (2) с электрохимическим профилем (3). b — NCV -W начинают перекрываться с областью объемного заряда характеристики, рассчитанные из C-V -измерений при 300 K на барьера Шоттки, увеличивающейся с повышением обратразных частотах: 100 Гц (1), 1 кГц (2), 10 кГц (3), 1 МГц (4).

ного смещения.

Аккумуляция электронов с слое LT -GaAs может происходить как на дефектах с глубокими уровнями, так Как видно из рис. 3, a, концентрация электро- и на кластерах мышьяка. Параметры глубоких уровнов вблизи поверхности (W < 0.35 мкм) составляет ней, характерных для LT -GaAs, были исследованы ра2.5 1016 см-3, что согласуется с ожиданием из тех- нее методами нестационарной емкости и температурнонологии уровнем легирования верхнего слоя n-GaAs. В зависимой проводимости [11–15]. Такими уровнями диапазоне 0.35 < W < 0.75 мкм наблюдается область являются: EL2 (0.73 эВ), EB4 (0.65 эВ) и EL3 (0.57 эВ).

обеднения, охватывающая слой LT -GaAs и прилегающие Исследования с использованием сканирующей туннельслои n-GaAs. За пределами области обеднения концен- ной микроскопии показали [16], что кластеры мышьяка трация электронов вновь достигает значения, близкого к также создают уровни в глубине запрещенной зоны 2.5 1016 см-3, что соответствует уровню легирования GaAs. Указанные электронные уровни частично скомнижнего слоя n-GaAs. При дальнейшем увеличении W пенсированы акцепторами, в качестве которых могут вынаблюдаетсяв еще одна область обеднения, по-видимому, ступать, например, вакансии галлия [17]. Концентрация обусловлена дефектами на металлургической границе компенсирующих акцепторов в LT-GaAs весьма велиподложка — эпитаксиальная пленка. Непосредственно ка и в неотожженном материале достигает 1018 см-3, за этой областью обеднения концентрация носителей что значительно превышает концентрацию легирующих резко возрастает до 2 1018 см-3, что соответствует мелких доноров Si (2 1016 см-3). Можно ожидать, уровню легирования подложки n+-GaAs. Полученное из что концентрация компенсирующих акцепторов остается C-V -измерений распределение концентрации носителей высокой и после отжига слоев LT -GaAs, несмотря на препо глубине хорошо согласуется с профилем концентра- образование основной части точечных дефектов, обуслоции носителей заряда, полученным независимо методом вленных избытком мышьяка, в наноразмерные кластеры.

электрохимического профилирования (см. рис. 3, a). В таком случае аккумуляция заряда в слое LT -GaAs Особенностью профиля NCV - W, рассчитанного для будет происходить за счет перехода электронов на глу300 K, является наличие узкого пика, обусловленно- бокие электронные уровни (обусловленные точечными го эмиссией электронов и соответствующего плато на дефектами или кластерами) с мелких донорных уровней C-V -характеристиках (рис. 3, a). В диапазоне частот из прилегающих слоев n-GaAs. В результате слой измерений от 1 МГц до 10 кГц этот пик располагает- LT-GaAs окажется окруженным областями объемного Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Аккумуляция электронов в слоях GaAs, выращенных при низкой температуре... заряда. Полагая, что концентрация скомпенсированных Заключение глубоких уровней в LT -GaAs много больше концентрации n мелких доноров в n-GaAs, ширина области Проведенные исследования структур с барьерами обеднения составляет Шоттки Au/n-GaAs/LT-GaAs/n-GaAs показали, что наличие тонкого слоя LT-GaAs, вставленного между гораздо 20V более толстыми слоями n-GaAs, приводит к значительноW = 2 + dLT, (2) qn му увеличению напряжения электрического пробоя по сравнению с наблюдаемым в стандартных структурах где V — контактная разность потенциалов, Au/n-GaAs.

dLT = 0.1мкм — толщина слоя LT-GaAs. Полагая В результате исследования вольт-фарадных характериV 0.5В, получим W 0.4 мкм, что соответствует стик барьеров Шоттки установлено, что наличие тонкого экспериментально определенной ширине области слоя LT -GaAs, содержащего систему глубоких уровней обеднения (рис. 3, a).

точечных дефектов и наноразмерных кластеров мыТаким образом, исследования C-V-характеристик пошьяка, приводит к аккумуляции в нем носителей заряда казали, что слой LT-GaAs аккумулирует электроны и и формированию областей обеднения в прилегающих индуцирует области объемного заряда в прилегающих слоях n-GaAs. На C-V-характеристиках при 300 K слоях n-GaAs. Внешнее смещение должно, вообще обнаружено широкое плато квазипостоянной емкости.

говоря, приводить к эмиссии аккумулированного заряда.

Это плато скорее всего обусловлено эмиссией элекОднако, поскольку уровни, на которые захвачены электронов с глубоких уровней и их кластеров мышьяка в троны, расположены в глубине запрещенной зоны GaAs, LT-GaAs. Концентрации аккумулированных и эмиттиротемп эмиссии должен сильно зависеть от температуры.

ванных электронов оказались близкими и составляют При низкой температуре темп эмиссии чрезвычайно 11012 см-2. При низкой температуре (94 K) эмиссия мал и при 94 K мы не наблюдали характерного плато электронов экспериментально не наблюдается.

на C-V-характеристиках даже при понижении частоты до 100 Гц. При комнатной температуре темп эмиссии Работа была поддержана Российским фондом фундадостаточно велик, однако даже в этом случае на высокой ментальных исследований и министерством науки Росчастоте не успевает устанавливаться квазиравновесие.

сии (программы: ”Фуллерены и атомные кластеры” и В результате обусловленный эмиссией электронов пик ”Физика твердотельных наноструктур”).

на NCV -W-характеристике оказывается сдвинут относительно геометрического положения слоя LT-GaAs к краю области обеднения (рис. 3, a) [18]. Ситуацию, Список литературы близкую к квазиравновесной, удается реализовать при понижении частоты измерения с 1 МГц до 100 Гц. При [1] F.W. Smith, A.R. Calawa, C.L. Chen, M.J. Mantra, L.J. Maэтом происходит увеличение значения емкости в области honey. Electron. Dev. Lett., 9, 77 (1988).

плато с 17 пФ до 26 пФ, пик на NCV -W-характеристике [2] M. Kaminska, Z. Liliental-Weber, T. George, J.B. Kortright, сдвигается к геометрическому положению слоя LT-GaAs F.W. Smith, B.Y. Tsaur, A.R. Calawa. Appl. Phys. Lett., 54, 1831 (1989).

(рис. 3, b).

[3] M.R. Melloch, K. Mahalingam, N. Otsuka, J.M. Woodall, Концентрацию эмитированных электронов ne можно A.C. Warren. J. Cryst. Growth., 111, 39 (1991).

оценить по ширине плато квазипостоянной емкости на [4] Н.А. Берт, А.И. Вейнгер, М.Д. Вилисова, С.И. Голощанов, C-V-характеристиках по соотношению [10]:

И.В. Ивонин, С.В. Козырев, А.Е. Куницын, Л.Г. Лаврентьева, Д.И. Лубышев, В.В. Преображенский, Б.Р. Семягин, ne = CU/Aq, (3) В.В. Третьяков, В.В. Чалдышев, М.П. Якубеня. ФТТ, 35, 2609 (1993).

где C — величина квазипостоянной емкости на плато, [5] J.K. Luo, H. Thomas, D.V. Morgan, D. Westwood, U — ширина плато. Подставляя экспериментальные R.H. Williams. Semicond. Sci. Technol., 9, 2199 (1994).

данные рис. 2, a и учитывая, что площадь барьера [6] P. Blood. Semicond. Sci. Technol., 1, 7 (1986).

A = 1.1 10-3 см2, получаем ne 1 1012 см-2.

[7] E.R. Brown, K.A. McIntosh, K.B. Nichols, C.L. Dennis. Appl.

Концентрацию электронов na, аккумулированных в Phys. Lett., 66, 285 (1995).

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.