Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 9 06;11;12 Переходный процесс при непрерывном и ступенчатом нагревании GaAs поверхностно-барьерных структур й Ю.А. Гольдберг, Е.А. Поссе Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 31 октября 2000 г.) Изучалось изменение характеристик емкостьЦнапряжение (C-U) и токЦнапряжение (If -U и Ir-U) структур полупроводникЦтвердый металл (GaAsЦNi) в процессе их непрерывного и ступенчатого нагревания.

Изначально свойства исследуемых структур соответствовали теории термоэлектронной эмиссии. Показано, что в процессе непрерывного нагревания выпрямляющие структуры переходят в омические при некоторой температуре TOhm = 720 K, существенно более низкой, чем температуры плавления металла или эвтектика металла и полупроводника. Для сравнения изучались свойства структур, отожженных при различных температурах Tann и охлажденных до комнатной температуры (ступенчатое нагревание). Показано, что в этом случае I-U-зависимости были близки к исходным после отжига структур при Tann < T0 = 553 K; при Tann > T0 на этих характеристиках наблюдались избыточные токи, и, наконец, при увеличении Tann на 200Ц300 K по сравнению с T0 характеристики полностью переходили в омические. Предполагается, что эти явления связаны с химическим взаимодействием Ni и GaAs, что приводит к изменению поверхностных свойств полупроводника.

Предварительные замечания Для исследования изменения свойств диодов Шоттки часть структур непрерывно нагревалась с малой (менее Как известно, непосредственный контакт полупровод- 5 degree/min) скоростью в нейтральной среде (гелий) от никЦметалл является вентильным, если между металлом комнатной температуры до 870 K, во время этого нагреи полупроводником имеется туннельно непрозрачный вания (т. е. без охлаждения до комнатной температуры) потенциальный барьер, и омическим, если потенциаль- измерялись характеристики токЦнапряжение (I-U) и ный барьер отсутствует, либо он туннельно прозрачен емкостьЦнапряжение (C-U).

(см., например, [1Ц3]). В наших работах [4,5] на примере Другая часть структур подвергалась ступенчатому структур полупроводникЦжидкий металл (GaPЦGa, GaP - нагреву, т. е. отжигалась при различных температурах In, GaAsЦGa) было установлено, что вентильный контакт и после каждого отжига охлаждалась до комнатной переходит в омический в процессе непрерывного нагре- температуры, после чего измерялись I-U- и C-Uвания структуры после того, как произойдет растворе- характеристики. Параметром, характеризующим асиммение приповерхностного слоя полупроводника в металле. трию I-U-характеристики, был взят коэффициент выВ работе [6] мы показали, что этот переход происходит прямления Kr = If /Ir при U = 0.5eV.

и в случае контакта полупроводникЦтвердый металл.

В настоящей работе мы изучали изменение хаРезультаты и дискуссия рактеристик емкостьЦнапряжение (C-U) и токЦнапряжение (If -U и Ir-U) структур полупроводникЦметалл 1. Рассмотрим эволюцию характеристик дифференци(GaAsЦNi) в процессе их непрерывного и ступенчатого альная емкостьЦнапряжение и токЦнапряжение в случае нагревания.

непрерывного нагрева структур.

1.1. Зависимости C-U в координатах C-2-U были линейными в интервале температур 290Ц470 K (рис. 1, a), Объекты и методика эксперимента что соответствует теории Шоттки Для создания этих структур использовались эпитак2(Ud - U - kT /q) C-2 =, (1) сиальные слои GaAs (n = 1015 cm-3), выращенные на s0S2q(Nd - Na) подложках из GaAs (n = 1018 cm-3). Все кристаллы были ориентированы по плоскости (100). Вначале изго- где s Ч статическая диэлектрическая проницаемость тавливался омический контакт вплавлением In в GaAs полупроводника, 0 Ч диэлектрическая проницаемость подложку. Эпитаксиальный слой GaAs обрабатывался вакуума, q Ч заряд электрона, Nd-Na Ч концентрация обычным для изготовления вентильных повехностно- нескомпенсированных доноров в полупроводнике, Ud Ч барьерных структур способом: механическая полировка, диффузионный потенциал, k Ч постоянная Больцмана, химическое травление, промывка. Затем на обработан- T Ч температура (K).

ную поверхность химическим способом [7] наносился Из этих характеристик были определены конценслой Ni. Исходные структуры были вентильными. трация нескомпенсированных доноров Nd - Na = 62 Ю.А. Гольдберг, Е.А. Поссе свободного электрона в вакууме, Ч температурный коэффициент высоты барьера.

Если учесть, что истинная высота потенциального барьера B(U) =BO - B(U), (6) то предэкспоненциальный множитель I0 можно представить в виде I0 = Is exp(qB(U)/kT ), (7) где ток насыщения Is = AST2 exp(-qBO/kT )(8) и величина понижения барьера силами изображения Рис. 1. a Ч зависимости емкости C структуры N1 от 1/q3(Nd - Na) напряжения U при температурах T, K: 1 Ч 295, 2 Ч 368, B = (Ud - U - kT /q). (9) 82s3 Ч 413, 4 Ч 465, 5 Ч 493; b Ч температурная зависимость высоты потенциального барьера BO, рассчитанная из Для определения Is при различных температурах C-2-U-характеристик по напряжению отсечки на оси ординат.

If -U-характеристики перестраивались в координатах If = f [U + B(U)]. Величины B(U) определялись для каждого значения U по формуле (9).

= 1-2 1015 cm-3 и значение диффузионной разности Значения Is находились путем экстраполяции экспотенциалов Ud при разных температурах. Высота по- поненциального участка перестроенных зависимостей тенциального барьера без учета его понижения силами If = f [U +B(U)] к [U +B(U)] = 0. Зависимость изображения (BO) была определена из соотношения Is/ST2 от 1/T (график Ричардсона на рис. 3) оказалась BO = Ud + /q, где Ч энергия уровня Фер- линейной, как и следует из теории, причем постоянная ми в полупроводнике. Из зависимости BO = f (T ) Ричардсона A =(8.21.0) A/cm2degree2, что совпадает (рис. 1, b) были определены температурный коэффици- с ожидаемой из теории (эффективная масса электрона ент = 2.4 10-4 V/degree и BO, экстраполированное для GaAs m = 0.068m0). Высота потенциального барьеe к 0 K, BO(0 K) =0.96 V. ра без учета сил зеркального изображения, полученная При T 470 K зависимость C-2-U отклоняется от из графика Ричардсона, BO(0 K) =0.96 V, что совпало линейной (рис. 1, a) и измеряемая величина емкости со значением, полученным из C-U-характеристик.

резко уменьшается. В этом случае измеряемая мостовым методом емкость существенно отличается от истинной из-за значительного уменьшения дифференциального сопротивления структуры, что в свою очередь свидетельствует о переходе барьерного контакта в омический.

1.2. Измеренные зависимости прямого тока If от напряжения (рис. 2, a) имели экспоненциальный участок в интервале T = 290-430 K If = I0 exp(qU/kT ), (2) где = 1.02-1.03.

Анализ этих характеристик показал, что зависимости If от U соответствуют теории термоэлектронной эмиссии с учетом влияния сил изображения на высоту потенциального барьера B(U) I = I0[exp(qU/kT ) - 1], (3) Рис. 2. a Ч зависимости прямого тока If от напряжения U I0 = AST2 exp(-qB/kT ), (4) для структуры N1 при температурах T, K: 1 Ч 296, 2 Ч 343, 3 Ч 373, 4 Ч 393, 5 Ч 428, 6 Ч 473, 7 Ч 563; b Ч B = B(0K) - T, (5) температурная зависимость коэффициента выпрямления Kr для где постоянная Ричардсона A = 120me/m0, me Чэф- GaAsЦNi стуктуры (1) и для структуры полупроводникЦжидкий фективная масса основных носителей тока, m0 Ч масса металл [4] GaAsЦGa (2).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Переходный процесс при непрерывном и ступенчатом нагревании GaAs... ток при T 550 K обусловлены термоэлектронной эмиссией. При более высоких температурах проявляются избыточные токи, связанные с переходом барьерного контакта в омический.

1.4. Далее рассмотрим поведение отношения прямого тока к обратному (коэффициент выпрямления K = If /Ir) при дальнейшем непрерывном нагревании структур. Результаты измерения K = f (T ) при U = 0.5V(рис. 2, b) сводятся к следующему.

а) В процессе непрерывного нагревания NiЦGaAs вентильные контакты, так же как и контакты полупроводникЦжидкий металл [4], при некоторой темературе переходят в омические (рис. 2, b). Такой переход происходит еще до возможного образования сильно легированного или варизонного рекристаллизованного слоя полупроводника, характерного для традиционного омического контакта.

б) Температура перехода вентильных контактов Ni - GaAs в омические (TOhm) составляет 720 K, что на 100 K превышает температуру перехода для контактов жидкий металЦGaAs. При таких температурах не происходит плавления контактного металла (температура Рис. 3. График Ричардсона, построенный по данным If -Uплавления составляет Tm = 1453C для Ni), поэтозависимостей (, й, ) и Ir-U-зависимостей (, Х) для му не может происходить растворение полупроводника NiЦGaAs структур.

в жидком металле. Мы предполагаем, что при этих температурах происходит химическое взаимодействие полупроводника с металлом, в результате чего исчезает При температурах T > 430 K экспоненциальный уча- тонкий приповерхностный слой полупроводника, содерсток не проявлялся, так как большая часть напряжения жащий большую плотность поверхностных состояний, падала на остаточном сопротивлении (сопротивление ответственных за образование вентильных свойств контолщи полупроводника и омического контакта) из-за такта.

существенного уменьшения дифференциального сопроОтметим, что взаимодействие Ni и GaAs, измеренное тивления структуры.

методом обратного рассеяния -частиц [8], начинается 1.3. Зависимость обратного тока (Ir) от напряжения при 470 K. В результате этого взаимодействия обра(рис. 4) была измерена в интервале температур 290 - зуется новая фаза, которая при 570 K появляется на 580 K. При T < 350 K обратный ток очень мал. При поверхности структуры.

350 T 450 K обратный ток существенно зависит от напряжения, что, вероятно, связано с токами утечки. При 490 T 550 K Ir-U-хараткеристики имеют близкий к насыщению участок (рис. 4).

Для того чтобы установить механизм обратного тока на этих участках, был построен график Ричардсона для обратного тока. Значения Is, равные величинам обратного тока, которые были бы, если бы не действовали силы изображения, были найдены делением значений обратного тока при разных нпаряжениях на exp(qB(U)/kT ) (рис. 4, сплошные линии). Зависимость Is/ST2 от 1/T для обратного тока оказалась линейным продолжением графика Ричардсона для прямого тока (рис. 3). Отсюда следует, что обратный ток для исследуемых нами структур подчиняется теории термоэлектронной эмиссии до температуры T = 550 K. При T > 550 K появляется избыточный объемный ток, связанный с началом необраРис. 4. Зависимости обратного тока Ir о напряжения U для тимого перехода барьерного контакта в омический.

структуры N1 при температурах T, K: 1 Ч 363, 2 Ч 493, Итак, в исследуемых нами NiЦGaAs поверхностно- 3 Ч 533, 4 Ч 553. Точки Ч эксперимент, линии Ч расчет барьерных диодах прямой ток при T 430 K и обратный по теории термоэлектронной эмиссии.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 64 Ю.А. Гольдберг, Е.А. Поссе близкий к теоретическому (кривая 2, = 1.01-1.02), что связано с исчезновением промежуточных диэлектрических слоев.

б) После отжига при температурах Tann > T0 на If -U-характеристиках появляются избыточные токи, хотя структуры остаются вентильными (рис. 6).

Рис. 5. Зависимости емкости C от напряжения U для структуры N2, измеренные непосредственно после изготовления структуры (1) и после отжига. Температура отжига Tann, K:

1 Ч 533, 543, 553, 563; 2 Ч 573; 3 Ч 582. Температура измерений 295 K.

В работе [9] было установлено, что этой фазой является метастабильное соединение Ni2GaAs, при образовании которого высота барьера возрастает до 0.84 eV.

При температурах 620Ц820 K эта фаза разлагается на Рис. 6. Зависимости прямого тока If от напряжения U для два соединения NiGa и NiAs, при этом высота барьеструктуры N2, измеренные непосредственно после изготовлера резко снижается. При температуре 870 K этот прония структуры (1) и после отжига. Tann, K: 2 Ч 533, 543, 553;

цесс заканчивается с образованием омического контакта.

3 Ч 563; 4 Ч 573; 5 Ч 582. Температура измерений 295 K.

Мы наблюдали образование омического контакта при 720 K. Однако этот результат мы получили в процессе непрерывного нагревания, а не после отжига, как в работе [9].

2. Рассмотрим эволюцию характеристик емкость - напряжение и токЦнапряжение NiЦGaAs структур в случае ступенчатого нагрева; в этом случае структуры нагревались до различных температур, охлаждались и их характеристики измерялись при комнатной температуре.

2.1. Результаты эволюции C-U-характеристик сводятся к следующему.

а) После отжига при температурах Tann 563 K зависимости C-2-U совпадали с исходной характеристикой (рис. 5).

б) После отжига при температурах Tann 580 K C-2-U-характеристики существенно отличаются от исходных (рис. 5), что свидетельствует о необратимости происходящих в барьерном контакте процессов.

2.2. Результаты эволюции If -U-характеристик следующие.

а) После отжига при температурах Tann, меньших некоторой температуры T0 = 553 K, If -U-характеристики остаются подобными исходным (рис. 6). Отметим, что для структур, в которых коэффициент идеальности для Рис. 7. Зависимости обратного тока Ir от напряжения U для исходной If -U-характеристики несколько отличался от структуры N2, измеренные непосредственно после изготовлетеоретического значения (кривая 1, где = 1.05), по- ния структуры (1) и после отжига. Tann, K: 1 Ч 364, 2 Ч 543, сле отжига If -U-характеристики имели коэффициент, 3 Ч 553, 4 Ч 563, 5 Ч 573. Температура измерений 295 K.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Переходный процесс при непрерывном и ступенчатом нагревании GaAs... 2.3. Результаты эволюции Ir-U-характеристик сводятся к следующему.

а) После отжига при температурах Tann, меньших температуры T0 = 553 K, Ir-U-характеристики остаются подобны исходным. Отметим, что для структур, при изготовлении которых между металлом и полупроводником остался промежуточный слой, обратные токи после отжига становятся меньше исходных, что связано с исчезновением этих слоев во время отжига (рис. 7, кривые 2, 3).

б) После отжига при температурах Tann > T0 обратные токи возрастают более чем на 2 порядка, что связано с началом необратимого перехода вентильного контакта в омический (рис. 7). При увеличении Tann на 200Ц300 K по сравнению с T0 контакт остается омическим и после охлаждения.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам