WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 5 05;06;11;12 Влияние модификации поверхности полупроводника на свойства водородочувствительных диодов Шоттки на арсениде галлия © С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, С.Б. Левичев, Н.В. Байдусь Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия e-mail: fdp@phys.unn.ru (Поступило в Редакцию 22 июля 2002 г.) Установлено, что модификация поверхности полупроводника в водородочувствительных диодах Шоттки на GaAs путем неполирующего травления или введения в область пространственного заряда полупроводника квантовых ям и квантовых точек может увеличивать чувствительность к водороду в 8-37 раз после травления и на два–три порядка после введения квантовых ям и квантовых точек. Показано, что это увеличение связано с уменьшением высоты барьера Pd / GaAs, с задерживанием диффузии водорода в объем GaAs напряженными квантованными слоями и с ростом рекомбинационной составляющей тока. Наличие рекомбинационной составляющей подтверждается электролюминесценцией от квантовых ям и квантовых точек и от GaAs. Для эффекта очувствления после травления определяющим является химический состав травителя.

Введение Методика эксперимента Диоды Шоттки создавались на основе эпитаксиальМикроэлектронные сенсоры водорода могут быть ных слоев n-GaAs толщиной 1 µm с концентрацисозданы на основе структур металл–диэлектрик–полуей электронов n0 1016 cm-3, выращенных метопроводник (МДП), транзисторов со структурой МДП дом газофазной эпитаксии при атмосферном давлении и диодов Шоттки (ДШ) с каталитически активным с использованием металл-органических соединений (меэлектродом из Pd [1]. Наиболее чувствительными к вотод МОСГЭ) при атмосферном давлении на подлождороду оказываются МДП диоды или транзисторы на Si:

ках n-GaAs, разориентированных на +3 относительно максимальный сдвиг водородочувствительной характеплоскости (100) (n0 1016 cm-3). Перед напылением ристики в них достигает 0.6 V, а обнаружительный металла в некоторых диодах поверхность GaAs модипорог 10-5 объемных % [2,3]. Однако эти сенсоры фицировалась травлением в неполирующем ферроцитребуют сложной технологии изготовления (для получеанидном травителе состава (0.8MK3[Fe(CN)6] в 0.3M ния малой плотности электронных состояний на границе растворе КОН) : H2O: глицерин (1: 5: 8) и в травитеSiO2 / Si), а также относительно сложной регистрации ле Сиртла CrO3(30%) : HF (1: 1). Скорость травления отклика (по емкости или по сдвигу напряжения плоских в ферроцианидном травителе для GaAs составляла зон на поверхности полупроводника). Диоды Шоттки 2-4 nm / min, а время травления варьировалось в инс тонкой прослойкой окисла не настолько сложны в изтервале от 10 до 30 min. Скорость травления GaAs готовлении и имеют широкие возможности регистрации в травителе Сиртла была 4 µm / min, а время травлесигнала (по емкости, току, фотоэдс). Однако эти диоды ния выбиралось 3, 11 и 30 s. На некоторых образцах характеризуются значительно меньшей чувствительнов область пространственного заряда полупроводника на стью к водороду: максимальный сдвиг напряжения прярасстоянии 15 nm от поверхности через промежуточный мой ветви вольт-амперной характеристики 0.2V, обнаспейс-слой (СС) толщиной 10 nm вводились КЯ из ружительный порог при регистрации по току 10-2%, InxGa1-x As (x = 0.2) толщиной 5 nm и КТ из InAs а при регистрации по фотоэдс 10-4% [4–7].

(5 монослоев). В разных диодах порядок следования В настоящей работе ставилась задача нахождения споквантовых слоев менялся от КЯ / СС / КТ до КТ / CC / КЯ, собов повышения чувствительности к водороду диодов отсчитывая от поверхности ЭП. Методика создания КЯ Шоттки со структурой Pd / термический окисел / GaAs.

и КТ описана в [10,11]. Перед нанесением Pd образцы Ожидалось увеличение адсорбционной активности водонагревались на воздухе до 300C в течение 30 min для родочувствительной поверхности вследствие получения создания термического окисла толщиной 3 - 4nm.

развитого микрорельефа после неполирующего травле- Полупрозрачные для света электроды из Pd толщиния [8] и задерживания диффузии водорода в объем ной 20 nm наносились на окисленную поверхность GaAs напряженными квантово-размерными слоями кван- полупроводника методом термического испарения в ватовых точек (КТ) InAs / GaAs и квантовых ям (КЯ) кууме. Использовался стандартный для ДШ на GaAs InGaAs / GaAs, вводимых в область пространственного режим напыления, позволяющий получать наилучшие заряда (ОПЗ) GaAs [9]. вольт-амперные характеристики (ВАХ): предваритель70 С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, С.Б. Левичев, Н.В. Байдусь Рис. 1. АСМ изображение окисленной поверхности полупроводника и металла. a — поверхность GaAs до травления; b — поверхность Pd, нанесенного на нетравленый GaAs; c — поверхность полупроводника после травления в ферроцианидном травителе; d — поверхность полупроводника после травления в травителе Сиртла.

ный прогрев до 200C и осаждение Pd на подогретую мерность более полно характеризует структуру поверхдо 100C подложку [12]. Площадь Pd электрода состав- ности и позволяет отличать разные типы поверхностей, используя всего одно число, заключенное в интервале ляла 2.35 · 10-2 cm-2.

от 2.00 (совершенно гладкая поверхность) до 3.00 (сильИсследовались ВАХ в темноте и при освещении но изрезанная, пористая поверхность). Фрактальная разнеразложенным светом при комнатной и оптимальной мерность определялась методом подсчета клеток [14].

для газовых сенсоров температуре 100C [5]. Измерения проводились в потоке воздуха и в потоке воздушно-аргоновой смеси с водородом концентрации 0.6 объемных % Экспериментальные результаты по методике, описанной в работе [5]. Измерялись зависии обсуждение мости фоточувствительности малосигнальной фотоэдс S от энергии фотонов h при комнатной температуре 1. Морфология поверхности. На рис. 1 показаи спектральные кривые электролюминесценции IEL(h) но АСМ изображение окисленной (a) и покрытой Pd (b) при импульсном прямом смещении на диоде амплиповерхности GaAs. На рисунках четко видны ступени тудой 1 V и токе 30 mA и фотолюминесценции роста в виде гребенчатой структуры. Средняя шероховаIPL(h) при 77 K.

тость окисленной поверхности эпитаксиальной пленки Микрорельеф поверхности Pd и полупроводника составила 0.5 nm, а фрактальная размерность 2.54.

исследовался на атомно-силовом микроскопе АСМ Поверхность Pd практически повторяла микрорельеф Topometrix AccurexTM TMX=2000 в неконтактном ре- окисленной поверхности (h 0.6nm, 2.50).

жиме. Для количественной оценки топологии поверхно- Некоторое уширение гребней на Pd происходило из-за сти рассчитывалась ее средняя шероховатость h и фрак- огибания Pd неровностей в GaAs и соответствовало тальная размерность. Согласно [13], фрактальная раз- толщине пленки металла.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние модификации поверхности полупроводника на свойства водородочувствительных диодов... На рис. 1 также показана морфология окисленных 2a. Д и о д ы Ш о т т к и н а G a A s. Травление в ферроповерхностей GaAs после травления в ферроцианидном цианидном травителе не изменяло значений B, m, Vph, травителе (c) и в травителе Сиртла (d). Из срав- NSS и характеристик чувствительности к водороду в динения микрофотографий (рис. 1, a и c, d) видно, что одах на GaAs. Следовательно, изменение микрорельефа после травления морфология поверхности сильно изме- поверхности GaAs и Pd (ср. рис. 1, a и c) в указанных нялась: вместо гребней наблюдались холмы размером пределах не приводило к изменению адсорбционной 160 100 nm и плотностью 1010 cm-2 для поверхности, активности поверхностей катализатора (Pd) к водороду.

травленной в ферроцианидном травителе, и плотно- В табл. 1, 2 приведены данные для таких диодов, постью 109 cm-2 — в травителе Сиртла. Для первой верхность полупроводника в которых была протравлена поверхности h 8.0nm и 2.33, а для второй в травителе Сиртла в течение 3, 11 и 30 s. Видно, что h 4.0nm и 2.31. Как и без травления, по- наблюдается значительное изменение как параметров верхность Pd практически повторяла микрорельеф GaAs. и характеристик диода (B, m, Vph, NSS), так и чувствиМорфология травленой поверхности GaAs практически тельности его к водороду. Абсолютная чувствительность не зависела от времени травления. к водороду по изменению плотности обратного тока j 2. Электрофизические характеристики. Ре- через диод увеличивалась в 8–37 раз в зависимости от зультаты измерений и расчетов, полученных из измере- толщины стравленного слоя d (колонка 5 в табл. 2).

ний и анализа ВАХ в темноте и на свету, приведены Увеличение чувствительности сопровождалось уменьв таблицах 1–4. В этих таблицах B — высота барьера шением величины барьера. При этом происходило на контакте Pd / GaAs, полученная в предположении уменьшение барьерной фотоэдс на 0.28 V, согласующепреобладания эмиссии Шоттки путем экстраполяции еся с уменьшением B (ср. колонки 2 и 5 в табл. 1).

экспоненциального участка прямой ветви ВАХ к напря- Из табл. 2 следует, что уменьшение высоты барьера жению V = 0; m — фактор идеальности диода, опреде- под действием водорода B Vph практически не ленный по наклону этой экспоненциальной части [11]; зависит от его исходной величины. Однако долю увелиVph — напряжение холостого хода; j — плотность чения отклика тока под действием водорода, связанную ph тока короткого замыкания. Плотность поверхностных с уменьшением B, можно найти из очевидного в предсостояний (ПС), обменивающихся носителями заряда положении эмиссии Шоттки соотношения с полупроводником, рассчитывалась из эксперименталь jt (Bn - Bt) +( Bt - Bn) ных измерений величины m по формуле [12] = exp q, (2) jn kT dI S q2NSSdI где индексы t и n относятся к травленой и нетравленой m = 1 + · +, (1) I w 0 · I поверхностям GaAs соответственно.

Выражение (2) справедливо, когда j много больше где q — заряд электрона; NSS — плотность ПС разности плотностей токов после и до воздействия в eV-1 · cm-1; dI — толщина оксида; I, S, 0 — водорода, что выполнялось на практике. Данные расчета относительная диэлектрическая проницаемость оксида, приведены в колонке 7 (табл. 2). В колонке 6 этой полупроводника и абсолютная диэлектрическая пронитаблицы значение данного отношения получено непоцаемость вакуума соответственно; w — толщина обласредственным делением величин изменения обратного сти пространственного заряда в полупроводнике; при тока под действием водорода для диодов с травленой расчете NSS принималось I = 9, как для арсената и нетравленой поверхностями. Видно, что эти отногаллия [6], а dI = 3nm.

шения согласуются только по порядку величины. Если Остальные параметры, приведенные в таблицах, хапоказатель m < 1.5, то увеличение чувствительности рактеризуют степень воздействия водорода концентрабольше, чем предсказывает уменьшение барьера, а при цией 0.6% при температуре 100C: B — изменеm 1.8 — меньше. В обоих случаях наличие оксида ние высоты барьера, Vph — изменение напряжения и увеличение плотности ПС, соответствующее увеличехолостого хода (фотоэдс), j — изменение плотности нию величины m, должны приводить к относительному обратного тока через диод при V = -0.3 V на Pd под уменьшению эффекта действия водорода, связанного действием водорода.

с уменьшением высоты барьера: в первом случае из-за влияния сопротивления окисла [6], а во втором случае Таблица 1. Влияние травления поверхности полупроводника из-за увеличения экранировки ПС. В последнем случае в травителе Сиртла на некоторые характеристики водородо(m 1.8), видно, экранировка настолько велика, что чувствительных ДШ на GaAs при T 27C реальный эффект увеличения чувствительности меньше, чем предсказываемый уменьшением высоты барьера.

d, µm B, V m NSS, eV-1 · cm-1 Vph, V j, A/ cmph Наблюдающееся для этого случая значительное уменьшение тока короткого замыкания свидетельствует об 0 0.89 1.17 2.6 · 1012 0.5 9.5 · 10-0.2 0.76 1.36 5.8 · 1012 0.37 9.5 · 10-3 увеличении рекомбинации в диоде.

0.7 0.67 1.44 7.1 · 1012 0.29 6.7 · 10-В связи с тем что увеличение чувствительности 2.0 0.61 1.83 1.4 · 1013 0.22 4.5 · 10-к водороду после травления обычно больше, чем предЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. 72 С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, С.Б. Левичев, Н.В. Байдусь Таблица 2. Влияние травления поверхности полупроводника в травителе Сиртла на некоторые характеристики водородочувствительных ДШ на GaAs при T 100C jt/ jn, jt/ jn, d, µm B, V B, V Vph, V j, A/ cmэксперимент теория 0 0.86 0.17 0.16 4.9 · 10-0.2 0.80 0.16 0.23 4.0 · 10-3 8 0.7 0.75 0.13 0.20 4.5 · 10-3 9 2.0 0.70 0.14 0.15 1.8 · 10-2 37 Таблица 3. Влияние травления в ферроцианидном травителе на некоторые характеристики водородочувствительных ДШ на GaAs с КЯ / CC / КТ и с КТ / СС / КЯпри T 27C Образец d, nm B, V m NSS, eV-1 · cm-1 Vph, V j, A/ cmph КЯ / CC / КТ 0 0.64 1.17 2.8 · 1012 0.20 8.9 · 10-25 0.74 1.95 1.6 · 1013 0.23 4.2 · 10-50 0.81 1.4 6.4 · 1012 0.48 8.1 · 10-КТ / СС / КЯ 0 0.67 1.17 2.8 · 1012 0.23 7.6 · 10-25 0.73 1.83 1.4 · 1013 0.21 3.6 · 10-GaAs 0 0.86 1.15 2.3 · 1012 0.5 9.5 · 10-Таблица 4. Влияние травления в ферроцианидном травителе на характеристики водородочувствительных диодов на GaAs с КЯ / CC / КТ и с КТ / СС / КЯпри T 100C jt/ jn, jt/ jn, Образец d, nm B, V B, V Vph, V j, A/ cmph эксперимент теория КЯ / CC / КТ 0 0.69 0.09 0.18 7.4 · 10-25 0.86 0.10 0.12 1.0 · 10-4 740 50 0.89 0.26 0.26 1.7 · 10-3 43 КТ / СС / КЯ 0 0.75 0.20 0.19 9.0 · 10-25 0.84 0.12 0.12 4.8 · 10-4 187 GaAs 0 0.86 0.17 0.16 4.9 · 10-сказывается уменьшением высоты барьера, оно может На рис. 3 показаны спектры фоточувствительности быть также обусловлено изменением адсорбционной малосигнальной фотоэдс диодов на GaAs до и после активности поверхностей Pd и оксид / Pd вследствие травления, которые, согласно [15], могут быть испольизменения микрорельефа. Однако последнее маловерозованы для обнаружения ПС на поверхности GaAs, ятно, так как травленная в травителе Сиртла поверхлокализованных в нижней половине запрещенной зоны ность GaAs имеет менее выраженный микрорельеф по полупроводника или глубоких уровней в GaAs. Из рис. сравнению с исходной, судя по фрактальному числу видно, что наблюдалась относительно пологая широи по сравнению с микрорельефом поверхности, полукая область фоточувствительности в интервале энерченной после травления в ферроцианидном травителе.

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.