Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 9 Аккумуляция основных носителей заряда в слоях GaAs, содержащих наноразмерные кластеры мышьяка й П.Н. Брунков, В.В. Чалдышев, А.В. Черниговский, А.А. Суворова, Н.А. Берт, С.Г. Конников, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 29 февраля 2000 г. Принята к печати 1 марта 2000 г.) С помощью вольтъемкостных исследований выявлена аккумуляция электронов и дырок в слоях GaAs, содержащих кластеры мышьяка и помещенных между буферными слоями GaAs n- и p-типа. В результате аккумуляции основных носителей заряда в прилегающих буферных слоях формируются обширные области обеднения. Моделирование вольтъемкостных характеристик, основанное на численном решении уравнения Пуассона, показало, что концентрация аккумулированных зарядов составляет 1 1012 см-2, что сравнимо с концентрацией наноразмерных кластеров As, определенной методом просвечивающей электронной микроскопии.

Введение Образцы и методика эксперимента Арсенид галлия, содержащий нанокластеры мышьяка, Образцы n- и p-типа проводимости (далее в тексте N (LT -GaAs) привлекает большое внимание благодаря сво- и P-структуры) были выращены методом молекулярноим уникальным свойствам, таким как высокое удель- лучевой эпитаксии в двухкамерной установке ФКатуньФ ное электрическое сопротивление и фемтосекундные на подложках n+- и p+-GaAs (100) соответственно.

времена жизни неравновесных носителей заряда [1Ц4].

N-структура состояла из трех слоев: слоя n-GaAs тоНесмотря на то что этот материал уже нашел цещиной 0.5мкм (температура эпитаксии Ts = 580C), лый ряд приборных применений (см., например, [5]), слоя LT -GaAs толщиной 0.1мкм (Ts = 200C) и природа его электронных свойств до сих пор являвторого слоя n-GaAs толщиной 0.5мкм (Ts = 580C).

ется предметом дискуссии. В частности, до сих пор Эпитаксиальные слои N-струкутры были однородно леостается неясным точное энергетическое положение и гированы Si с концентрацией 2 1016 см-3.

параметры локальных уровней, создаваемых кластераВ случае P-структуры на p+-подложке выращивался ми As в запрещенной зоне GaAs. Наличие большой буферный слой GaAs, сильно легированный бериллием, концентрации локальных состояний, обеспечивающих затем слой p-GaAs толщиной 0.5мкм (концентрация устойчивое закрепление уровня Ферми в глубине запреBe 2 1016 см-3, Ts = 580C), затем слой LT -GaAs щенной зоны и быструю рекомбинацию неравновесных толщиной 0.1мкм (Ts = 200C), затем слой p-GaAs носителей, является главной особенностью LT -GaAs, толщиной 0.5мкм (концентрация Be 2 1016 см-3, отличающей этот материал от обычного полуизолируTs = 580C) и, наконец, на поверхности P-структуры выющего или высокоомного GaAs. В наших предыдущих ращивалась короткопериодная сверхрешетка GaAs / AlAs работах [6,7] показано, что слой LT -GaAs, содержащий (1нм/ нм) общей толщиной 38 нм.

кластеры мышьяка, может аккумулировать электроны из Низкая температура эпитаксии слоев LT-GaAs обесприлегающих слоев n-GaAs, в которых индуцируются печивала избыток мышьяка в таких слоях в количестве области пространственного заряда. Распределение заряда 0.5ат% [4]. Выращивание верхних слоев структур в структуре LT-GaAs / n-GaAs подобно асимметричному при высокой температуре в течение 0.5 ч приводило к p-n-переходу, в котором LT-GaAs играет роль сильно преципитации избыточного мышьяка и формированию в легированной глубокими акцепторами p-области.

слое LT -GaAs системы наноразмерных кластеров мышьВ данной работе представлены результаты вольтъемяка. Исследования кристаллической структуры образцов, костных (CV ) исследований структур с барьером Шотпространственного расположения, концентрации и разтки, где слой LT-GaAs, содержащий кластеры As, был меров кластеров проводились методом просвечивающей вставлен между слоями GaAs p-типа проводимости. Проэлектронной микроскопии (ПЭМ) в поперечном сечении ведено сравнение таких характеристик с соответствуюи в плоскости роста. Использовался электронный микрощими характеристиками для структур n-типа. Показано, скоп Philips EM 420 с ускоряющим напряжением 100 кэВ.

что в обоих типах структур слой LT-GaAs аккумулирует Барьеры Шоттки формировались путем напыления Au основные носители заряда.

на поверхность образцов с диаметром 0.4 и 0.5 мм для N- иP-структур соответственно. Для создания омических Fax: (812)E-mail: brunkov@pop.ioffe.rssi.ru контактов к n+-подложке использовался сплав AuGe, а к 1110 П.Н. Брунков В.В. Чалдышев, А.В. Черниговский, А.А. Суворова, Н.А. Берт, С.Г. Конников...

Рис. 1. Светлопольное ПЭМ изображение (g = 220) поперечного сечения P-структуры.

p+-подложке Ч сплав AuZn. Контакты формировались лей (NCV -W) (рис. 2, b и 3, b) [8]:

при температуре 400C.

C3 Измерения CV -характеристик проводились на частоте NCV (W ) =, W = A, (1) dC C 10 кГц с помощью емкостного моста E7-14 в интервале qdV температур от 77 до 400 K. Амплитуда измерительного сигнала составляла 40 мВ.

где q Ч заряд электрона, 0 Ч абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ч диэлектрическая проницаемость полупроводника, W Ч ширина области пространственного заряда, A Ч площадь барьера Шоттки.

Результаты экспериментов При увеличении обратного напряжения (Vrev) и обсуждение на P-структуре при температуре T = 77 K наблюдается плавное уменьшение емкости в диапазоне На рис. 1 представлено ПЭМ изображение поперечноVrev = 0-0.2 В, за которым следует резкое падение емго сечения P-cтруктуры. Видно, что слой LT-GaAs, содеркости при Vrev 0.3B (рис. 2, a). При дальнейшем увежащий кластеры мышьяка, имеет толщину dLT 0.1мкм личении обратного напряжения (Vrev = 0.4-6B) снова и заключен между двумя слоями p-GaAs, не содержанаблюдается плавное уменьшение емкости P-структуры.

щими кластеров. Двумерная концентрация As кластеров При Vrev > 6 В емкость P-структуры практически не (NCL) в слое LT-GaAs составляет около 6 1011 см-2 и изменяется. Из расчета эффективного профиля распреих средний диаметр (dCL) лежит в диапазоне от 5 до 7 нм.

деления носителей заряда NCV - W в P-структуре видно ПЭМ изображения N-структуры приведены в работе [7].

(рис. 2, b), что участки плавного изменения емкости В N-структуре dLT 0.1мкм, NCL 4 1011 см-2 и структуры связаны с однородным уровнем легирования dCL = 6-8 нм. Таким образом, P- и N-структуры были p-GaAs буферов на уровне (1-3) 1016 см-3. Участок близки друг к другу по геометрическим характеристирезкого падения емкости при Vrev 0.3В обусловлен кам, параметрам систем кластеров, а также по уровню наличием широкой области пространственного заряда легирования прилегающих к слою LT-GaAs областей p(ОПЗ) толщиной 0.7 мкм, внутри которой расположен и n-типа соответственно. Следует отметить, что в обеих слой LT-GaAs толщиной 0.1 мкм (рис. 2, b). Такое структурах отсутствуют протяженные дефекты решетки.

распределение носителей заряда NCV - W по толщине CV -характеристики P- и N-структур, измеренные на P-структуры, по-видимому, связано с тем, что в слое частоте 10 кГц, приведены на рис. 2, a и 3, a соответ- LT-GaAs, содержащем кластеры As, аккумулируется ственно. Пользуясь приближением обедненного слоя, из большой положительный заряд, который индуцирует CV -характеристик были рассчитаны эффективные про- широкую встроенную ОПЗ. Участок резкого падения фили распределения концентрации свободных носите- емкости P-структуры наблюдается, когда при Vrev 0.3В Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Аккумуляция основных носителей заряда в слоях GaAs, содержащих наноразмерные кластеры... Рис. 2. C -V - (a) и NCV -W - (b) характеристики P-структуры, измеренные на частоте 10 кГц при 290 (1) и77 K(2). На вставке Ч положение слоя LT-GaAs.

Рис. 3. C - V - (a) и NCV - W- (b) характеристики N-структуры, измеренные на частоте 10 кГц при 290 (1) и 94 K (2). На вставке Ч положение слоя LT-GaAs.

ОПЗ барьера Шоттки смыкается с ОПЗ, индуцированной на низкую концентрацию электрически активных дефеквокруг слоя LT -GaAs. При Vrev > 6 В ОПЗ барьера Шот- тов в этих эпитаксиальных слоях.

тки упирается в сильно легированную p+-подложку, по- На CV -характеристике N-структуры при T = 94 K наблюдается два участка плавного изменения емкости (при этому емкость P-структуры практически не изменяется, Vrev = 0-0.5В и Vrev = 1.0-4.2В) (рис. 3, a), которые а на NCV - W-характеристике наблюдается рост конценсвязаны с однородным легированием n-GaAs-буферов трации при W = 1.2 мкм, соответствующей суммарной на уровне 3 1016 см-3 (рис. 3, b). При величитолщине эпитаксиальных слоев P-структуры (рис. 2, b).

не Vrev > -5 В емкоcть N-структуры практически не При повышении температуры до 290 K форма CV-хаизменяется, так как край ОПЗ барьера Шоттки достиг рактеристики P-cтруктуры практически не изменяется, а сильно легированной n+-подложки на глубине 1.1 мкм вся кривая сдвигается в область более высоких обратных (рис. 3, b), соответствующей суммарной толщине эпинапряжений (рис. 2, a), потому что уменьшается велитаксиальных слоев N-структуры. Резкое падение емкости чина встроенного потенциала барьера Шоттки [7]. При при Vrev 0.7 В связано с аккумуляцией отрицательного этом CV - и NCV - W -характеристики становятся более заряда электронов в слое LT-GaAs и наблюдается, когда плавными, так как с ростом температуры увеличивается ОПЗ барьера Шоттки смыкается с ОПЗ, образующимся дебаевская длина экранирования [7], которая определяет вокруг слоя LT-GaAs (рис. 3, b). Расчет эффективного разрешение CV-метода. Следует отметить, что конценпрофиля распределения свободных носителей NCV -W по трация свободных носителей в p-GaAs-буферах структу- формуле (1) показывает, что в N-структуре при 94 K воры, определенная из NCV - W -характеристик (рис. 2, b), круг слоя LT -GaAs толщиной 0.1 мкм образуется область практически не зависит от температуры, что указывает пространственного заряда толщиной 0.45 мкм (рис. 3, b).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1112 П.Н. Брунков В.В. Чалдышев, А.В. Черниговский, А.А. Суворова, Н.А. Берт, С.Г. Конников...

Рис. 4. C - V - (a) и NCV - W - (b) характеристики P-структуры, измеренные на частоте 10 кГц при 77 K (1). Модельные расчеты C - V - и NCV - W -характеристик P-структуры проведены при фиксированном значении плотности заряда, аккумулированного в LT LT LT слое LT -GaAs: NQ = 6.0 1011 см-2 (2), NQ = 8.0 1011 см-2 (3) и NQ = 1.0 1012 см-2 (4). На вставке Ч положение слоя LT-GaAs.

Рис. 5. C - V - (a) и NCV - W- (b) характеристики N-структуры, измеренные на частоте 10 кГц при 94 K (1). Модельные расчеты C - V - и NCV - W Ч характеристик N-структуры проведены при T = 94 K и фиксированном значении плотности заряда, LT LT LT аккумулированного в слое LT -GaAs: NQ = 0.8 1012 см-2 (2), NQ = 1.0 1012 см-2 (3) и NQ = 1.2 1012 см-2 (4). На вставке Ч положение слоя LT-GaAs.

Второй скачок емкости при Vrev 5В обусловлен плато квазипостоянной емкости в диапазоне Vrev от -1.наличием в N-cтруктурах ОПЗ, геометрически располо- до -11.5В (рис. 3, a). Ранее было показано, что это женной на границе первого n-GaAs-буфера и n+-подлож- плато связано с эмиссией электронов, аккумулированки (рис. 3, b). По нашему мнению, это связано с ных в слое LT-GaAs [6,7]. Темп эмиссии уменьшаналичием электрически активных дефектов на метал- ется при понижении температуры. Как можно видеть лургической границе n+-подложки и первого эпитакси- из рис. 3, a, эмиссия электронов из слоя LT-GaAs в ального слоя. В случае P-структуры перед выращивани- N-структуре полностью подавлена при 94 K, так что ем первого p-GaAs-буфера на p+-подложку был пред- плато на CV-характеристике не наблюдается. Отсутствие варительно нанесен слой GaAs, сильно легированный участка квазипостоянной емкости на CV-характеристике Be. Как видно из эффективного профиля распреде- P-структуры не только при низкой, но и при комнатной ления NCV - W (рис. 2, b), ОПЗ на границе первого температуре (рис. 2, a) означает, что темп эмиссии дырок буфера и p+-подложки отсутствует, так как электри- из слоя LT -GaAs в P-структуре значительно ниже темпа чески активные дефекты на поверхности p+-подложки эмиссии электронов из слоя LT -GaAs в N-структуре.

нейтрализованы.

Для оценки заряда, аккумулированного в слое Итак, при низкой температуре CV -характеристики P- и LT-GaAs, было проведено моделирование CV- и N-структур качественно подобны. Однако при T = 290 K NCV - W-характеристик P- и N-структур при низких на CV -характеристике N-структуры появляется широкое температурах. Модельные расчеты основаны на численФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Аккумуляция основных носителей заряда в слоях GaAs, содержащих наноразмерные кластеры... ном решении одномерного уравнения Пуассона методом Список литературы конечных разностей [9,10]. При этом предполагалось, [1] F.W. Smith, A.R. Calawa, C.L. Chen, M.J. Mantra, что темп эмиссии аккумулированных носителей мал, так LT L.J. Mahoney. IEEE Electron. Dev. Lett., 9, 77 (1988).

что концентрация электронов или дырок (NQ ), лока[2] M. Kaminska, Z. Liliental-Weber, E.R. Weber, T. George, лизованных в слое LT -GaAs, не зависит от обратного J.B. Kortright, F.W. Smith, B.Y. Tsaur, A.R. Calawa. Appl. Phys.

напряжения Vrev на структуре.

Lett., 54, 1831 (1989).

Из количественного анализа CV- и NCV - W-харак[3] M.R. Melloch, K. Mahalingam, N. Otsuka, J.M. Woodall, теристик P-структуры при T = 77 K (рис. 4, a и b) A.C. Warren. J. Cryst. Growth, 111, 39 (1991).

было установлено, что в слое LT -GaAs аккумулируется [4] Н.А. Берт, А.И. Вейнгер, М.Д. Вилисова, С.И. Голощапов, И.В. Ивонин, С.В. Козырев, А.Е. Куницын, Л.Г. Лаврентьзаряд, соответствующий слоевой концентрации дырок LT ева, Д.И. Лубышев, В.В. Преображенский, Б.Р. Семягин, NQ = 0.8 1012 см-2. Сравнение расчетов с экспеВ.В. Третьяков, В.В. Чалдышев, М.П. Якубеня. ФТТ, 35, риментальными результатами для N-структуры показало 2609 (1993).

(рис. 5, a и b), что наилучшее совпадение наблюдается [5] В.В. Чалдышев, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, В.В. ПреобраLT при NQ = 1.0 1012 см-2.

женский, О.П. Пчеляков, А.В. Хан, В.Г. Канаев, Л.С. ШироТаким образом, проведенные исследования показакова, А.В. Голиков, В.А. Кагадей, Ю.В. Лиленко, Н.В. Карли, что слой LT-GaAs, содержащий кластеры мышьпович. Электронная промышленность. № 1-2, 154 (1998).

яка, аккумулирует электроны, если он помещен ме[6] P.N. Brounkov, V.V. Chaldyshev, A.A. Suvorova, N.A. Bert, жду слоями n-GaAs, и аккумулирует дырки, если он S.G. Konnikov, A.V. Chernigovskii, V.V. Preobrazhenskii, M.A. Putyato, B.R. Semyagin. Appl. Phys. Lett., 73, помещен между слоями p-GaAs. При этом вокруг (1998).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам