Книги по разным темам Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 10 05;06;12 Влияние водорода на фотоэлектронные свойства гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/InGaAs и островковым слоем палладия на поверхности й И.А. Карпович, С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, Б.Н. Звонков Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия e-mail: fdp@phys.unn.ru (Поступило в Редакцию 8 января 2002 г.) Исследовано влияние водорода на фотолюминесценцию и планарную фотопроводимость гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/InGaAs и с островковым слоем Pd на анодноокисленной поверхности. Установлено, что в отличие от нанесения сплошного слоя Pd нанесение островкового слоя не приводит к возникновению дефектов в приповерхностном слоле GaAs, но при этом слой Pd сохраняет высокую каталитическую активность по отношению к водороду. Обнаружены эффекты пассивации дефектов в квантовых ямах атомарным водородом при термообработке таких структур в атмосфере водорода. Исследованы характеристики планарных фоторезисторов с островковым слоем Pd как сенсоров водорода. Установлено, что они имеют почти на 2 порядка более высокую обнаружительную способность к водороду, чем диодные структуры со сплошным слоем Pd.

Введение нений (метод МОСГЭ) на подложках полуизолирующего GaAs с ориентацией (001). Три КЯ Inx Ga1-xAs Диодные структуры металл/оксид/полупроводник (x 0.2-0.28), ширина которых уменьшалась при (МОП структуры) на GaAs с Pd выпрямляющим контакудалении от поверхности GaAs и составляла в разных том, обладающим высоким каталитическим действием, структурах 7Ц12, 4Ц5 и 3 nmдля КЯ1Ц3 соответственно, могут быть использованы для создания высокочувствивстраивались в приповерхностной области эпитаксиальтельных и быстродействующих сенсоров водорода [1Ц3].

ного слоя GaAs. Использовались легированные слои Их чувствительность к водороду повышается при GaAs с концентрацией электронов n0 106 cm-3 и встраивании в слой GaAs квантовых ям InGaAs, задернелегированные слои GaAs с n0 5 1013 cm-3.

живающих диффузию водорода в объем слоя [4]. Однако, Толщина покровного слоя GaAs составляла 20 nm, как установлено в [4], нанесение сплошного Pd слоя барьерных слоев между КЯ Ч 30 nm, всего слоя при оптимальной толщине оксида ( 4nm) приводит к 0.6-0.8 m. Для предотвращения взаимодействия Pd образованию дефектов в приповерхностном слое GaAs, с Ga и образования нечувствительного к водороду соедичто, вероятно, связано с химической реакцией Pd с нения [7] на покровном слое GaAs перед нанесением Pd GaAs и с сильным различием постоянных решеток Pd жидкостным анодированием выращивалась пленка анод(3.9 nm) и GaAs (5.7 nm). Это ухудшает параметры ного оксида (АО) толщиной 4nm.

газовых сенсоров и может приводить к их отказу.

Слои Pd наносились на пленку АО методом термичеВ данной работе исследовано взаимодействие водороского испарения в вакууме. Сплошной полупрозрачный да с квантово-размерными полупроводниковыми струкслой Pd имел толщину dPd 5 nm и поверхностную турами, в которых сплошной проводящий слой Pd замепроводимость 10-3 -1/, островковые слои получанен непроводящим островковым слоем. Изучение этого лись с номинальной толщиной 2.5 и 1.5 nm и обладали вопроса, помимо самостоятельного интереса с фундапроводимостью меньше 10-5 -1/. Толщина сплошментальной стороны, открывает перспективы создания ных слоев Pd и АО измерялась с точностью 0.3nm на сенсоров нового типа, основанных на явлении планарной атомном силовом микроскопе (АСМ) фирмы Topometrix фотопроводимости слоев GaAs. Как и в работах [4Ц6], по вытравленной (для АО) или процарапанной (для Pd) для контроля за процессами дефектообразвания в приступеньке. Номинальная толщина островкового слоя Pd поверхностной области GaAs использовалось явление определялась по весовым соотношениям навесок для фотолюминесценции в квантовых ямах (КЯ), которое испарения. По данным АСМ исследований, проводяявляется очень чувствительным индикатором появления щиеслои Pd с номинальной толщиной 5 nm имели дефектов.

средний размер зерен 200 nm, в островковых слоях при номинальной толщине 2.5 nm размер зерен был 50 nm.

Методика эксперимента Планарные структуры получались вплавлением в эпиГетероструктуры с КЯ (ГКЯ) GaAs/InGaAs получа- таксиальную пленку GaAs двух омических контактов лись методом газофазной эпитаксии при атмосферном из Sn размерами 1 5 mm с зазором между ними давлении с использованием металлорганических соеди- 4-5 mm. Изготавливались также диодные структуры 64 И.А. Карпович, С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, Б.Н. Звонков Pd/АО/GaAs/Sn со сплошным электродом из Pd на проводящей подложке GaAs (n0 1016 cm-3).

Влияние водорода на характеристики планарных и диодных структур изучалось в режиме газового сенсора.

При оптимальной температуре 370 K образцы подвергались импульсному воздействию водорода в потоке воздушно-аргоновой смеси с концентрацией водорода PH 0.002Ц0.2 объемных % [2] и в режиме термообработки (образцы кратковременно (600 s) прогревались в водороде при 743 K). Исследовались планарная проводимость и фотопроводимость (ФП) при освещении неразложенным модулированным светом, фотолюминесценция (ФЛ), вентильная фотоэдс (в диодных структурах).

Рис. 2. Влияние термообработки в водороде на спектры ФЛ.

dPd, nm: 1 Ч0, 2 Ч2.5, 3 Ч5.

Результаты и обсуждение 1. Спектры фотолюминесценции. На рис. приведены спектры ФЛ исследованных образцов при гашение ФЛ в первой КЯ (более чем на 2 порядка), различных толщинах Pd электрода. Из рисунка видно, значительно меньшее гашение Ч в структурах с островчто при нанесении слоя Pd происходит уменьшение ковым Pd (приблизительно в 3 раза). Одновременно в интенсивности ФЛ в КЯ, которое зависит от удаления обеих структурах наблюдается усиление ФЛ во второй КЯ от поверхности и толщины слоя Pd. Это уменьшеи третьей КЯ примерно в 2Ц3 раза, свидетельствующее ние обусловлено генерацией дефектов при химическом о наличии эффекта пассивации дефектов атомарным взаимодействии Pd с GaAs и проникновением дефектов водородом в этих ямах. Интенсивность краевой ФЛ в материал КЯ [4]. Максимальный эффект наблюдается в GaAs (1.5 eV) у всех структур практически совв области первой КЯ. Видно, что при номинальных толщинах 1.5 и 2.5 nm (соответствует островковой плен- падала.

ке Pd) происходит существенно меньшее дефектообраСущественное уменьшение ФЛ в первой от поверхзование.

ности квантовой яме характерно для гидрогенизации в На рис. 2 показано влияние на спектры ФЛ терводородной плазме и связано с накоплением в ней демообработки в водороде при атмосферном давлении фектов, образующихся при бомбардировке поверхности при 473 K в течение 600 s для структур с различной ионами [6]. Можно было ожидать, что при введении толщиной Pd электрода. После такой обработки в струкводорода через Pd электрод этого эффекта удастся изтурах со сплошным Pd электродом происходит сильное бежать. Однако эти ожидания частично оправдываются только в случае островкового слоя Pd. Этот результат можно объяснить тем, что островковый слой Pd создает значительно меньшие напряжения в оксидном слое и приповерхностной области GaAs, что обеспечивает более совершенную структуру этих областей. Пассивирующий эффект воздействия водорода проявляется только во второй и третьей КЯ, так же как и при обработке в водородной плазме [6]. Вероятно, это связано с более высокой проникающей способностью атомарного водорода по сравнению с дефектами, которые в основном задерживаются первой КЯ.

2. Планарная проводимость и фотопровод и м о с т ь. Данные по влиянию водорода в режиме газового сенсора на приведенные к поверхностной темновую проводимость nи фотопроводимость L планарных структур при температуре 370 K приведены в Рис. 1. Влияние толщины Pd электрода на спектры ФЛ. dPd, таблице.

nm: 1 Ч0, 2 Ч 1.5 и 2.5, 3 Ч5.0.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Влияние водорода на фотоэлектронные свойства гетероструктур с квантовыми ямами... Влияние водорода в режиме газового сенсора на планарные темновую проводимость и фотопроводимость резистивных структур Уровень легирования dPd, nm PH2 = 0 PH2 = 0.22 vol.% GaAs, n0, cm-3 n, / L, / n, / L, / 5 1013 0 5.0 10-6 9.7 10-6 5.0 10-6 9.7 10-1.5 2.5 10-6 2.9 10-6 2.6 10-6 2.4 10-2.5 5.5 10-5 1.4 10-3 5.8 10-5 7.3 10-5.0 1.6 10-3 1.2 10-6 1.7 10-3 5.6 10-1016 0 1.1 10-3 1.6 10-5 1.1 10-3 1.6 10-1.5 1.6 10-3 1.7 10-5 1.7 10-3 1.2 10-2.5 1.4 10-3 8.8 10-6 1.5 10-3 2.2 10-5.0 1.5 10-3 3.5 10-6 1.5 10-3 2.4 10-Из данных таблицы видно, что водород уменьшает 3. Характеристики газовых сенсоров. На планарную фотопроводимость слоев GaAs, покрытых рис. 3 приведены зависимости стационарного отклика слоем Pd, почти не влияет на темновую проводимость ФП SL для планарной структуры и фотоэдс VL (очень слабо увеличивает). Максимальное относительдля диодной структуры от концентрации водорода при ное изменение фотопроводимости наблюдается на слоях 370 K. Эти зависимости при низкой концентрации имес низкой концентрацией носителей при толщине слоя Pd ют типичный для газовых сенсоров на основе диоdPd 2.5nm.

дов Шоттки и МОП структур логарифмический хаУменьшение планарной ФП под действием водорода рактер, соответствующий гетерогенной адсорбции воестественно объясняется барьерным механизмом ФП дорода [1]. Насыщение отклика при увеличении конслоев GaAs [8]. Возникающий вследствие каталитичецентрации водорода, объясняется заполнением адсорбской реакции на островках Pd [1] атомарный водород ционных центров. Пороговая концентрация обнаружепроникает через оксидный слой на поверхность GaAs ния водорода, полученная экстраполяцией зависимостей и в результате хемосорбции уменьшает отрицатель L и VL от lg PH для планарной структуры почти ный заряд на поверхностных состояниях, что привона 2 порядка меньше, чем для диодной структуры дит к снижению высоты приповерхностного барьера (ср. кривые 2 и 1 соответственно). Следует заметить, и уменьшению барьерной ФП. Логарифмическая зачто значение этого порога ( 10-4 vol.%) оказываетвисимость фотопроводимости слоев от интенсивности ся такого же порядка, как и в кремниевых диодных освещения L (L lg L) подтверждает барьерный меструктурах [9].

ханизм [8].

Быстродействие планарных структур при 370 K характеризуется кинетическими кривыми L при импульсном воздействии водорода, которые приведены на рис. 4, a. Из рисунка следует, что достигается стационарное значение SL при включении водорода и отклик уменьшается практически до 0 при выключении. Времена нарастания и спада отклика зависят от давления водорода и меняются от 0.1 до 100 s, что отвечает сенсорам высокого быстродействия [1,2]. Анализ кинетических кривых показал, что нарастание отклика носит практически экспоненциальный характер (рис. 4, b, кривые 1 и 2), а спад Ч неэкспоненциальный характер (рис. 4, b, кривые 3 и 4). Определение по кривой нарастания отклика время адсорбции a (рис. 5, кривая 1) изменяется обратно пропорционально давлению водорода и лежит в интервале 0.1Ц10 s при T = 370 K.

Рис. 3. Зависимости стационарного отклика ФП SL для Время десорбции d, определяемое по кривой спада планарной структуры (2) (dPd 2.5nm) и вентильной фотоэдс на уровне 0.5 от стационарного значения, значительно VL (1) для диодной структуры от концентрации водорода при 370 K. слабее зависит от давления (d 1/ PH ).

5 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 66 И.А. Карпович, С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, Б.Н. Звонков Работа выполнялась при финансовой поддержке программы Минобразования РФ ДУниверситеты РоссииУ (грант № 015.06.01.37), совместной программы Минобразования РФ и CRDF (BRHE, REC-001) и РФФИ (грант № 00-02-17598).

Список литературы [1] Евдокимов А.В., Мушули М.И., Ржанов А.Е. и др. // Зарубежная электронная техника. 1988. № 3 (321). С. 3Ц39.

[2] Тихов С.В., Лесников В.П., Подольский В.В. и др. // ЖТФ.

1995. Т. 65. Вып. 11. С. 120Ц125.

[3] Гаман В.И., Дученко М.О., Каныгина В.М. // Изв. вузов.

Сер. Физика. 1998. Вып. 1. С. 69Ц83.

[4] Карпович И.А., Тихов С.В., Шоболов Е.Л. и др. // Тез. докл.

междунар. конф. ДФундаментальные проблемы физикиУ.

Саратов: СГУ, 2000. С. 92Ц93.

[5] Карпович И.А., Аншон А.В., Байдусь Н.В. и др. // ФТП.

Рис. 4. a Ч кинетические кривые L для планарной струк1994. Т. 28. Вып. 1. С. 104Ц109.

туры при разных концентрациях водорода: PH2 = 0.22 (1), [6] Карпович И.А., Аншон А.В., Филатов Д.О. // ФТП. 1998.

0.022 (2), 0.011 vol.% (3); T = 370 K; dPd 2.5nm; b Ч Т. 32. Вып. 9. С. 1089Ц1095.

отклик на водород для планарной структуры в координатах [7] Красильникова Л.М., Ивонин И.В., Якубеня М.П. // Изв.

ln[( SL - L)/SL] от t для нарастания (1, 2) и ln( L/ SL) вузов. Сер. Физика. 1989. Вып. 3. С. 60Ц65.

от t для спада (3, 4): PH2 = 0.088 (1); 0.011 (2, 4); 0.22 vol.% (3);

[8] Карпович И.А., Бедный Б.И., Байдусь Н.В. и др. // ФТП.

T = 370 K, dPd 2.5nm.

1989. Т. 23. С. 2164Ц2170.

[9] Ковалевская Г.Г., Меридов М.М., Руссо Е.В. и др. // ЖТФ.

1993. Т. 63. Вып. 2. С. 185Ц191.

Рис. 5. Зависимости времени адсорбции a и десорбции d от PH2 для планарной структуры 1 Ч a, 2 Ч d. T = 370 K, dPd 2.5nm.

Заключение Проведенные исследования показали, что фоторезистивные структуры на основе ГКЯ GaAs/InGaAs с островковым слоем Pd на анодноокисленной поверхности перспективны для создания водородных сенсоров. В таких структурах под островковой пленкой Pd происходит значительно меньшее дефектообразование, чем под сплошной пленкой Pd. Показана возможность пассивации дефектов в КЯ путем введения атомарного водорода в эти структуры через островковый слой Pd.

   Книги по разным темам