Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике

На правах рукописи

Власов Юрий Николаевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В GaAs И В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Ga2Se3/GaAs

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 2012

Работа выполнена в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

Научный БЕЗРЯДИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Официальные БОРМОНТОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет, заведующий кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники РОВИНСКИЙ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ОАО Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка, первый заместитель генерального директора Ведущая Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, организация: г. Санкт-Петербург

Защита состоится 15 марта 2012 г. в 1700 на заседании диссертационного совета Д.212.038.при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1, ВГУ, физический факультет, ауд.428.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан л13 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Маршаков Владимир Кириллович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема формирования совершенных границ раздела в гетеростуктурах на основе полупроводника GaAs актуальна в настоящее время. Создание современных оптоэлектронных элементов, приборов спинтроники немыслимо без качественной поверхности полупроводника с низкой плотностью поверхностных электронных состояний (ПЭС), малым количеством дефектов вблизи межфазных границ и, соответственно, центров рассеяния и безызлучательной рекомбинации, по энергии расположенных около середины запрещнной зоны полупроводника. Структурные нарушения и высокую плотность дефектов вблизи поверхности GaAs вызывает элементный мышьяк, который выделяется при химическом взаимодействии полупроводника с кислородом воздуха и плнкой собственного оксида, при межфазных реакциях на границах металл- и диэлектрик-GaAs. Для достижения высокого качества гетерограниц был предложен ряд технологических решений, основанных на формировании халькогенидных слов, которые предотвращают окисление и сопутствующее дефектообразование. Обработка поверхности GaAs в халькогенсодержащей среде снижает плотность ПЭС, открепляет уровень Ферми, восстанавливает зависимость высоты барьеров Шоттки от работы выхода нанеснного металла. При нанесении Se на нагретую до температуры выше 300С поверхность GaAs происходит гетеровалентное замещение мышьяка селеном, причм на поверхности имеют место исключительно связи Ga-Se, а связи As-Se отсутствуют. Мышьяк испаряется с поверхности, покрытой слоем химически инертного материала, изолирующего подложку от атомов кислорода, мышьяка и предотвращающего химические реакции с адсорбатом.

Однако механизма снижения плотности ПЭС до сих пор не установлено. Основная сложность в этом направлении заключена в том, что для каждой границы раздела необходимо детально на атомном уровне разобраться в физико-химической природе поверхностных состояний. Ранее показано, что снижение плотности ПЭС связывается с реконструкцией поверхности GaAs. Известно реконструированное состояние без ПЭС, которое наблюдается на сколотых в сверхвысоком вакууме поверхностях. При адсорбции же атомов металлов, полупроводников, металлоидов и особенно кислорода возникают ПЭС, закрепляющие уровень Ферми. Поэтому вопрос о детальной природе ПЭС и способах их устранения открыт до сих пор.

В результате кратковременной обработки в парах селена в камере квазизамкнутого объма (КЗО) на поверхности GaAs образуется плнка селенида галлия Ga2Se3 толщиной в несколько нанометров, которая снижает плотность ПЭС и защищает поверхность от атмосферного кислорода. В данной работе исследовано влияние таких обработок на электронные состояния GaAs.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы по теме: Разработка технологии изготовления новых наноразмерных полупроводниковых покрытий для повышения эффективности элементов солнечной энергетики, государственный контракт № 16.516.11.6084 от 08.07.2011г. ФЦП Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы по теме: Разработка научнотехнических основ повышения надежности и долговечности светодиодных световых приборов повышенной мощности в результате реализации новых технических решений по охлаждению светодиодов, государственный контракт № 16.516.11.6098 от 08.07.2011г.

Работа включена в тематический план ГБ НИР Физико-химические основы формирования наноразмерных гетерофазных систем в процессе гетеровалентного замещения (№ гос. рег.

1.1.09) и ГБ НИР Физико-химические процессы в объме и на границе раздела в неоднородных тврдотельных системах (№ гос. рег. 01960012699) кафедры физики Воронежской государственной технологической академии.

Цель работы: Установление закономерностей образования электронных состояний на поверхности и в области пространственного заряда GaAs до и после обработки в парах Se2.

Основные задачи исследования:

1. Формирование гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из Al и Au на основе GaAs до и после обработки в парах Se2.

2. Выбор и оптимизация методик исследования диодов Шоттки с целью корректного определения параметров глубоких уровней.

3. Исследование поверхностных электронных состояний на реальной поверхности GaAs, полученной в результате химико-динамического полирования (ХДП).

4. Исследование параметров глубоких уровней в обработанном в парах Se2 GaAs на поверхности и в приповерхностной области пространственного заряда (ОПЗ).

Объекты и методы исследования. Исследовались монокристаллические подложки арсенида галлия электронного типа проводимости марки АГЧ-25а <100> толщиной (390 5) мкм, АГЧ-25а <111> А толщиной (390 5) мкм, АГЧ-25а <111> В толщиной (390 5) мкм, а также подложки под эпитаксию исходные и обработанные в парах селена. Концентрация носителей заряда для различных подложек варьировалась в пределах от I016см-3 до I018см-3.

Структурно-фазовое состояние гетерограницы контролировалось в просвечивающей электронной микроскопии типа H-800. Электрофизические параметры диодов Шоттки изучались методами вольт-амперных характеристик (ВАХ), высокочастотных вольтфарадных характеристик (ВФХ). Электронные состояния приповерхностной области GaAs изучались методами нестационарной спектроскопии глубоких уровней (мкостной вариант НСГУ) и фотолюминесценции.

Научная новизна. Выбраны оптимальные режимы измерения изотермических релаксаций мкости и значения времн стробирования при последующем построении спектров нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ), что позволило повысить разрешающую способность НСГУ метода и контролировать параметры уровней с близкими значениями постоянной времени эмиссии.

Определено энергетическое положение ПЭС, связанных с избыточным мышьяком и планарной неоднородностью поверхности GaAs. Выявлен механизм образования обоих типов ПЭС в процессе окисления поверхности GaAs кислородом воздуха. Доказана возможность залечивания дефектов, вызывающих эти ПЭС, в процессе отжига в парах селена.

Обнаружены особенности поведения сверхстехиометричного для растущей фазы Ga2Seгаллия - проникновение его в область пространственного заряда GaAs и модификация системы дефектов, сопровождающаяся эффектом компенсации по мере увеличения концентрации глубоких акцепторов, связанных с дефектами перестановки GaAs.

Практическая значимость. В работе определены причины возникновения ПЭС на реальной окисленной поверхности GaAs и изучен механизм их устранения при отжиге поверхности полупроводника в парах селена. Представленные результаты могут быть использованы для получения границ раздела GaAs с малым количеством дефектов.

Обработкой в парах селена может быть достигнута консервация поверхности арсенида галлия в технологии подготовки пластин под эпитаксию за счт ограничения доступа кислорода к поверхности GaAs, приводящего к нарушению планарной однородности при хранении на воздухе. Исследование поведения системы дефектов GaAs при окислении воздухом, под воздействием химических обработок и в процессе отжига в парах селена приблизило понимание атомной структуры дефектов, обнаруживаемых нестационарной спектроскопией глубоких уровней.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Запись зависимости мкости от времени при различных температурах в память компьютера позволяет уже в результате одного температурного прохода получить достаточно информации для построения множества спектров НСГУ с различными временами выборки. Это не только экономит время исследований, но и увеличивает разрешающую способность НСГУ-методики, поскольку позволяет разделить максимумы в спектрах НСГУ, отвечающие центрам с близкими значениями скоростей эмиссии.

2. Окисление поверхности подложек GaAs в атмосфере воздуха вызывает формирование ПЭС. При непосредственном взаимодействии адсорбированного кислорода с катионной подрешткой кристалла, а также в ходе твердофазной реакции естественного оксида с подложкой выделяется элементарный мышьяк, служащий источником ПЭС. В то время как планарная неоднородность и напряжения поверхности вызывают образование дефектов в виде точечных вакансий и вакансионных комплексов в приповерхностной области.

3. Обработка GaAs в парах селена залечивает как мышьячные, так и вакансионные ПЭС, а также снимает неоднородность поверхности.

4. В ходе обработки GaAs в парах селена сверхтехиометричный для Ga2Se3 галлий, выделяясь на гетерогранице, проникает в приповерхностную область кристалла GaAs и перестраивает систему дефектов таким образом, что увеличивается концентрация дефектов перестановки типа GaAs. Это проявляется в компенсации приповерхностной области после нескольких последовательных циклов обработок в парах селена и стравливания образующегося слоя селенида.

ичный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре физики Воронежского государственного университета инженерных технологий. Постановка задачи и определение направлений исследования осуществлялись д. ф.-м. н., профессором Н.Н. Безрядиным.

ично автором проведены эксперименты по получению гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из Al и Au на поверхности арсенида галлия и на обработанной в парах селена поверхности арсенида галлия с наноразмерной плнкой Ga2Se3; исследованы вольтамперные, вольт-фарадные характеристики, изотермические релаксации мкости полученных структур; закономерности изменения спектров ПЭС и электронных состояний в области пространственного заряда GaAs в зависимости от изменения состояния поверхности;

разработаны модели ПЭС и состояний, обусловленных варьированием ансамбля точечных дефектов в приповерхностной области подложки в процессе обработок в парах селена.

Обсуждения результатов на протяжении всей работы проведены вместе с д.ф.-м.н., профессором Н.Н. Безрядиным и к.ф.-м.н., доцентом Г.И. Котовым.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Девятой и Десятой всероссийской молоджной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (СанктПетербург, 2005, 2007, 2008г.), XXI Российской конференции по электронной микроскопии ЭМТ2006 (Черноголовка, 2006г.), IХ международной конференции Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V (Томск, 2006 г.), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007г.), V Всероссийской конференции Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (Воронеж, 2010 г.), а также на отчетных XLV, XLVI, XLVII, XLVIII научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах, из которых 2 статьи в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Кроме того, в трудах всероссийских и международных конференций представлено 11 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 151 страницу машинописного текста, 52 рисунка, 4 таблицы и по структуре состоит из введения, четырх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 140 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных обсуждается атомная структура дефектов кристалла GaAs и анализируются параметры соответствующих центров локализации заряда. Показано, что дефекты, содержащие вакансии в мышьячной и галлиевой подрештке, по энергии в запрещенной зоне расположены соответственно вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, в то время как дефекты перестановки дают глубокие уровни вблизи середины запрещнной зоны. Дано обоснование возможности использования халькогенной обработки для пассивации поверхности подложек из полупроводников AIIIBV, представлены различные методики обработки в халькогенах и происходящие при этом структурно-фазовые изменения и реконструкции поверхности полупроводника. Обсуждаются причины закрепления уровня Ферми, а также способы управления спектром электронных состояний у поверхности GaAs. Глава завершается постановкой цели и задач исследования.

Во второй главе представлены результаты электрофизических исследований диодов Шоттки с контактами из Al и Au на подложках до и после обработки в парах селена. Слои селенидов получали методом термической обработки подложек GaAs в парах селена в КЗО.

Ранее было установлено, что при обработке GaAs (100) и (111) в парах селена, происходит образование псевдоморфной к GaAs плнки Ga2Se3 с толщиной ~ (35) нм. Показано также, что плотность ПЭС снижается после обработок в парах селена в течение (115) минут при температуре подложки Тп=(300350)С и парциальном давлении паров селена (1,331,5) Па за счт реконструирования поверхности GaAs на границе раздела арсенид-селенид. Такие технологические условия использовались в данной работе при изготовлении диодов Шоттки для исследования. Типичные микродифракционные изображения обработанных поверхностей (100) и (111) GaAs, свидетельствующие о структурном совершенстве поверхности, показаны на рис. 1.

а) б) Рис. 1. Микродифракционное изображение поверхности GaAs(100), обработанной в парах селена в течение 1 минуты, Тп= 330С (а) и GaAs(111), обработанной в парах селена в течение 5 минут, Тп= 330С (б).

Методами вольт-амперных характеристик (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) установлено открепление уровня Ферми на поверхностях GaAs (100) и (111) в результате обработки в парах селена. Величина высоты потенциального барьера Фб исходных образцов Al/GaAs составляет ~ 0,8 эВ, что соответствует закреплению уровня Ферми у поверхности. Величина Фб диодов Al/Ga2Se3/GaAs, полученных на обработанной в селене поверхности GaAs, составляет ~ 0,5 эВ. Это говорит об уменьшении плотности ПЭС, закреплявших уровень Ферми на необработанной поверхности GaAs. Для образцов Au/Ga2Se3/GaAs открепление уровня Ферми сопровождается увеличением Фб до предела Шоттки-Мотта в 1,15 эВ по сравнению со структурами Au/GaAs (для которых Фб составляет ~ 0,9 эВ).

Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ) исследованы центры локализации заряда в GaAs. Идентифицированы основные глубокие уровни GaAs из наблюдаемых в экспериментах. Разброс в значениях энергий активации, определнной этим методом (более 0,1 эВ) обусловлен наложением релаксационных токов носителей заряда от центров с близкими значениями постоянной времени освобождения носителя заряда. Это проявляется в размытии максимума по температуре, в наложении максимумов. Наиболее вероятные значения энергии активации центра получаются выбором образцов для исследования, в которых по концентрации изучаемый центр существенно превосходит центры с близкими скоростями эмиссии. Достичь наиболее полного выделения изучаемого максимума можно варьированием интервала стробности и его начала на релаксационной зависимости мкости. Это чрезвычайно затратная по времени процедура, которой в реальных экспериментах редко пользуются. Большого количества температурных проходов (то есть циклов охлаждения и нагревания образца) можно избежать, если анализировать по НСГУметодике изотермические релаксации мкости, измеренные в широком интервале температур с определнным шагом по температуре.

В процессе эксперимента регистрируются изотермические релаксации мкости как зависимость величины мкости диода Шоттки от времени релаксации C(t) при переключении от прямого смещения Vi на исследуемой структуре к обедняющему Vd.

В результате одного измерения получается массив данных C(T,t), который записывается в память компьютера в виде отдельного файла (рис. 2).

Обработка результатов измерений производится с помощью специально Рис. 2. Изотермические релаксации мкости разработанной программы, в которой по С(T,t) диода Шоттки Au/n-GaAs.

методике НСГУ рассчитывается спектр как С(T)/C0={C(T,t2)-C(T,t1)}/C0, где C(T,t1) и C(T,t2) - значения мкости в моменты времени t1 и t2 после переключения смещения, а C0 - нормировочная мкость диода используется для определения концентрации центров и соответствует приповерхностной области обеднения при напряжении Vd. Варьирование величины интервала стробности (t2-t1) и его начала на релаксационной зависимости (t1) позволяет выделить отдельные пики из группы пиков и оценить соответствующие им энергии ловушек в запрещнной зоне полупроводника.

Для иллюстрации влияния выбора параметров t1 и t2 на рис. 3 приведены спектры НСГУ в диапазоне температур около максимума от центра EL6 для разного набора t1 и t2. Видно, что исключение начального этапа релаксации (до 200 мс) из расчета спектра позволяет исключить вклад в спектр от максимума EL14 вблизи температуры 1К и выделить максимум EL6 при 150 К.

Таким образом определнные значения энергий активации центров в GaAs приведены в таблице 1.

Рис. 3. Спектры НСГУ диода Шоттки Al/nGaAs, полученные для наборов времн:

1) t1 = 20 мс, t2 = 200 мс;

2) t1 = 40 мс, t2 = 10 с;

3) t1 = 80 мс, t2 = 10 с;

4) t1 = 200 мс, t2 = 10 с.

Энергия Обозначение Структура активации, эВ EL14 VAs (+1/0) 0,EL6 VAs - Asi - VGa 0,EL3 VAs - Oi 0,EL2 AsGa(+2/+1) 0,Таблица 1. Основные глубокие уровни в n-GaAs.

В третьей главе исследуются ПЭС, связанные с процессами химического травления, последующего образования собственных оксидов на полупроводниковых подложках GaAs и дополнительной обработкой поверхности GaAs в парах селена в КЗО. Известно, что на поверхности GaAs образуется собственный оксид, состоящий в основном из Ga2O3, As2O3 и элементарного As на границе раздела. Количество выделившегося элементарного мышьяка зависит от температуры и времени хранения подложек арсенида галлия с собственным оксидом. Элементарный мышьяк наряду с оксидной фазой служит источником ПЭС и оказывает влияние на спектр глубоких уровней на границе раздела в арсениде галлия.

Для исследования образцы получали по двум методикам подготовки: 1) стандартный процесс химико-динамического полирования и 2) селективное травление, достигаемое смещением состава полирующего травителя в сторону меньшей концентрации H2O2 с последующим промыванием в растворе соляной кислоты 1HCl:10H2O. Напыление контактов производилось как на свежеподготовленные подложки, так и на хранившиеся в течение недели на воздухе при нормальных условиях. Кроме того, оба типа образцов подвергались термическому отжигу в парах селена при Тп = 330С в течение 5 минут, после чего напылялись контакты из золота для исследования.

Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/nGaAs, представленые на рис. 4 (кривые 1 и 2), сформированы после полирующего травления на свежеприготовленных образцах и содержат типичный набор объмных глубоких уровней GaAs (EL2, EL3, EL5, EL6, EL8). Приведнные спектры получены из кривых релаксации мкости, измеренной при Vi = +1 В и различных значениях Vd: 1) -2 В (сплошная линия), 2) -0,4 В (пунктирная линия). Вблизи глубокого уровня EL3 (250 К) наблюдается несимметричный пик, амплитуда которого мала по сравнению с основными для GaAs глубокими уровнями EL6 (160 К) и EL(340К). Характер зависимости амплитуды Рис. 4. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/nмаксимума пика вблизи EL3 от обратного GaAs:

напряжения свидетельствует о том, что он 1 и 2 - сформированы на обусловлен распределнными по энергии в свежеподготовленных подложках, запрещнной зоне полупроводника ПЭС полученных полирующим травлением;

(энергия активации 0,40 - 0,45 эВ). Слева от 3 - сформированы на аналогично EL6 на спектре заметен пик, травленных подложках после отжига в парах соответствующий уровню EL8 (130К).

селена. t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

Отличительной особенностью спектров диодов Шоттки, сформированных после обработки в парах селена, является значительное уменьшение амплитуды пика вблизи уровня EL3 и относительно небольшое снижение амплитуды остальных пиков (рис. 4, кривая 3). То есть наблюдаемое уменьшение амплитуды пика вблизи EL3 обусловлено уменьшением концентрации ПЭС после обработки в парах селена.

На рис. 5 (кривые 1 и 2) приведены спектры диодов Шоттки, полученных после селективного травления на свежеприготовленных образцах. Релаксации мкости измерены при Vi = + 3 В (сплошная Рис. 5. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/nлиния) и Vi = + 1 В (пунктирная линия); Vd = GaAs: а) сформированы на -1В. Данные спектры характеризуются свежеприготовленных подложках, наличием широкой полосы сигнала НСГУ полученных селективным травлением;

от 100 до 250 К, амплитуда которой б) сформированы на аналогично травленых существенно зависит от заполняющего подложках после отжига в парах селена.

овушки прямого смещения на диоде, что t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

свидетельствует о наличии высокой плотности ПЭС. В спектрах диодов Шоттки, сформированных на аналогичных подложках после обработки в парах селена (кривая 3 на рис. 5, режим измерения: Vi = + 3В, Vd = -1В), наблюдаются только пики, соответствующие объмным глубоким уровням EL6 и EL2.

На рис. 6 представлены спектры диодов Шоттки Au/n-GaAs, сформированных на подложках после селективного травления и хранения на воздухе. Режимы измерения релаксаций мкости: Vi = +1В, Vd = -0,4В (сплошные линии), Vd = -1 В (пунктирные линии), Vd = -2В (штрих-пунктирные линии).

а) б) Рис. 6. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/n-GaAs: а) сформированы на подложках после селективного травления и хранения на воздухе в течение недели; б) сформированы на аналогично подготовленных подложках после отжига в парах селена.

t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

По сравнению со спектром свежеприготовленных образцов, полученных полирующим травлением (рис. 4), в данных спектрах, отсутствует пик EL8 ниже по температуре от EL6.

Вблизи EL3 наблюдаются два пика (ПЭС1 и ПЭС2), амплитуда которых сильно зависит от обратного смещения на диоде, что свидетельствует о соответствии этих пиков распределнным у поверхности электронным состояниям. Энергия активации низкотемпературного несимметричного (230 К) пика ПЭС1 составила 0,44 эВ. Отжиг в парах селена приводит к исчезновению описанных выше пиков ПЭС из спектров, однако остатся плато справа от EL6 (180-200 К), амплитуда которого зависит от обратного смещения на диоде.

По литературным данным в выращенном методом молекулярно-лучевой эпитаксии низкотемпературном GaAs в спектрах НСГУ наблюдаются два пика в диапазоне температур от 200 К до 300 К, которые обусловлены крупными (6-8 нм) и мелкими (менее 3 нм) кластерами элементарного мышьяка. Поэтому можно предположить, что пик ПЭС1 связан с содержанием элементарного мышьяка в виде крупных кластеров в собственном оксиде GaAs, который образуется на поверхности подложки после полирующего травления из-за того, что перед напылением металла поверхность GaAs некоторое время контактировала с кислородом воздуха. Поверхностные электронные состояния в диапазоне температур от 2до 300 К (ПЭС1 и ПЭС2 на рис. 6,а) также обусловлены образованием собственного оксида и кластеров элементарного мышьяка при селективном травлении и контакте с кислородом воздуха. На дефектной поверхности GaAs, разупорядоченной после селективного травления, наблюдается большая концентрация ПЭС. А распределнная по энергии полоса состояний (рис. 5) в запрещнной зоне полупроводника по энергетическому положению соответствует вакансионным дефектам (VAs и VGa) и комплексам с их участием в рештке GaAs. По всей видимости, процесс селективного травления и последующего образования собственного оксида обеспечивает высокую плотность вакансионных точечных дефектов и комплексов с их участием.

Пик ПЭС2, наблюдаемый в диапазоне температур от 250 до 300 К (рис. 6,а), связан с мелкими кластерами мышьяка на границе раздела As2O3/GaAs, которые образуются в результате твердофазной реакции между оксидом мышьяка и подложкой при хранении подложек перед напылением контактов. В пользу такого предположения свидетельствует то, что в диапазоне температур от 250 до 300 К в спектрах свежеприготовленных образцов его нет (рис. 5).

Наличие пика EL8 в спектрах свежеприготовленных образцов, полученных полирующим травлением, и его отсутствие в спектрах образцов, полученных селективным травлением и хранившихся на воздухе, может быть связано с изменением стехиометрии на поверхности GaAs в процессе хранения. Так как уровень EL8 представляет собой комплекс точечных дефектов с участием VAs, то его концентрация в свежеприготовленных полирующим травлением образцах будет определяться равновесной концентрацией вакансий мышьяка. А возможное встраивание избыточного элементарного мышьяка в рештку GaAs в процессе хранения или термического отжига может приводить к рекомбинации VAs. Наличие плато справа от EL6 (рис. 6,б) говорит о том, что однократной обработки в парах селена оказывается недостаточно, чтобы удались все ПЭС. Повторная обработка позволяет решить эту проблему.

Таким образом, в результате химико-динамического полирования и последующего окисления поверхности GaAs возможно образование различных по своей природе ПЭС (вакансионных, мышьячных) в широком диапазоне энергий. Независимо от природы ПЭС, обработка в парах селена позволяет уменьшить плотность ПЭС, пассивировать поверхность GaAs с точки зрения прекращения доступа атмосферного кислорода к подложке и приблизить спектр НСГУ к соответствующему только глубоким уровням в объме GaAs.

О снижении плотности ПЭС свидетельствует также увеличение в два раза интенсивности фотолюминесценции в области собственного поглощения при накачке зелным лазером обработанных в парах селена образцов GaAs по сравнению с необработанными.

В четвёртой главе изучаются электронные процессы в приповерхностной области арсенида галлия после обработки в парах селена. ВФХ диодных структур Al/Ga2Se3/GaAs(100) в области малых обратных напряжений, соответствующих небольшим значениям поверхностного потенциала, перестроенные в координатах 1/C2 от V, имеют характерный излом (рис. 7,а). Рассчитанная по наклону этих зависимостей величина концентрации мелких доноров Nd оказывается заниженной. Величина Nd меньше вблизи поверхности по сравнению с соответствующим значением в объме полупроводника. Изгиба ВФХ не обнаруживается на исходных образцах Al/GaAs и обработанных образцах Al/Ga2Se3/GaAs(111).

Подобная ситуация наблюдается и для структур Au/Ga2Se3/GaAs(100). Однако в случае контактов из Au на ВФХ нет излома. Причм наклон в координатах 1/C2 от V соответствует наклону ВФХ диодов Al/Ga2Se3/GaAs в области малых напряжений, то есть соответствует меньшим рассчитанным значениям Nd, чем на ВФХ исходных необработанных в селене структур.

Представленные результаты объясняются особенностями протекания процесса ГВЗ. При замещении мышьяка в GaAs селеном образуется плнка Ga2Se3 по двум связанным механизмам: а) рост плнки вглубь GaAs при взаимодействии селена с GaAs, сопровождающийся выделением сверхстехиометрического для Ga2Se3 галлия; б) проникновение этого галлия на поверхность, где он взаимодействует с селеном. Причм мышьяк покидает поверхность GaAs, в то время как некоторая часть сверхстехиометрического для Ga2Se3 галлия с формирующейся границы раздела Ga2Se3GaAs внедряется в приповерхностную область GaAs. В результате происходит увеличение соотношения Ga:As в ОПЗ GaAs, что приводит к изменению концентраций дефектов. В частности к увеличению концентрации антиструктурных точечных дефектов типа дефект перестановки GaAs. Обработка в парах селена, повышает концентрацию акцепторных уровней до количества, достаточного для компенсации доноров вблизи поверхности, что и наблюдается на ВФХ в виде излома.

а) б) Рис. 7. ВФХ диодных структур: а) Al/n-GaAs (кривая 1), Al/Ga2Se3/n-GaAs, полученных после обработки в парах селена при Тп= 330С в течение 5 минут (кривая 2) и 15 минут (кривая 3); б) Au/n-GaAs (кривая 1) и Au/Ga2Se3/n-GaAs, полученных после :

1ой (кривая 2), 2ой (кривая 3), 3ей обработки в парах селена (кривая 4).

Междоузельный мышьяк Asi становится подвижным уже при температуре 220С, что объясняется в литературе миграцией Asi в направлении [111] по октаэдрическим каналам, которые ориентированы под углом 45 к плоскости (100) и параллельны плоскости (111). В этой связи можно объяснить различия в ВФХ между диодными структурами на основе Ga2Se3/GaAs(100) и Ga2Se3/GaAs(111) проникновением Gai в ОПЗ GaAs во время отжига в парах селена по октаэдрическим каналам по механизму, подобному миграции мышьяка. В отличие от Ga2Se3/GaAs(100) в структурах Ga2Se3/GaAs(111) такая миграция Gai вглубь кристалла невозможна.

С целью проверки описанных предположений были получены диодные структуры на основе GaAs, многократно обработанного в парах селена при Тп= 330С в течение 5 минут.

Многократная обработка получалась при стравливании в водном растворе HCl выращенного слоя селенида и выращивании нового слоя Ga2Se3 на травленой поверхности. В результате происходит накопление вносимых обработкой дефектов в приповерхностной области GaAs.

Были получены диодные структуры Au/GaAs и Au/Ga2Se3/GaAs на подложках GaAs(100) с концентрацией электронов 4*1016 см-3 после 1, 2 и 3 цикла последовательных обработок поверхности GaAs. Постепенное увеличение наклона ВФХ (рис. 7,б) в масштабе 1/C2 от V говорит о снижении разницы Nd+ - Na - в области объмного заряда. Каждая обработка вносит определнную порцию в концентрацию глубоких акцепторов внутри ОПЗ, которую можно оценить как ~1016см-3. При этом ВФХ диодов, полученных после последовательных аналогичных обработок на подложках, легированных до ~ 1017см-3, укладываются в масштабе 1/C2 от V на одну прямую с наклоном, соответствующим концентрации электронов исходных образцов. В этом случае, концентрации акцепторов оказывается недостаточно для компенсации.

Рис. 8. Спектры НСГУ диодных структур с контактами из Au, напылнными на GaAs после: 1) ХДП; 2) ХДП и обработки в парах Se2.

Vi = + 1 В, Vd = - 1,4 В; t1 = 50 мс, t2 = 250 мс.

Спектры НСГУ (рис. 8 и 9) диодов Шоттки, полученных на подложках GaAs до и после минутной обработки в парах Se2 при Тп = 330С, указывают на снижение концентрации центров EL6 (температура максимума 160170 К) и увеличение концентрации центров EL(температура максимума 140К). Это в соответствии с результатами ряда исследований атомной структуры естественных для GaAs дефектов свидетельствует о снижении концентрации вакансий галлия VGa в приповерхностной области. EL6 соответствует пара вакансий и междоузельный мышьяк (VGa-VAs-Asi), а EL8 - вакансия мышьяка и мышьяк в междоузлие (VAs-Asi). Таким образом можно полагать, что проникающий в рештку кристалла GaAs галлий рекомбинирует с VGa в составе EL6 при Тп ~ 330С в процессе обработки в парах селена. Если галлий занимает VAs, то образуется GaAs.

Рис. 9. Спектры НСГУ диодных структур с контактами из Au, напылнными на n-GaAs после ХДП (кривая 1); после обработки в парах Se2 и стравливания слоя селенида (кривая 2);

после повторной обработки в парах Se2 (кривая 3).

Vi = + 3 В, Vd = - 1 В;t1 = 50 мс, t2 = 550 мс.

Стравливание образовавшегося слоя и повторная обработка GaAs в парах Se2 приводит к снижению концентрации центров типа EL6 и EL2 в приповерхностной области кристалла и как следует из анализа ВФХ (рис. 7) вызывает компенсацию приповерхностной области GaAs. Учитывая структуру дефектов EL6 и EL2 и избыточную концентрацию галлия в приповерхностной области рассматриваются реакции, приводящие к образованию дефекта GaAs из дефектов типа EL6 и EL2. Этот образовавшийся дефект и дат глубокие акцепторные уровни, обеспечивающие компенсацию.

Отмеченная выше повторная обработка полностью снимает ПЭС и в спектрах НСГУ проявляются только глубокие уровни объма подложки (рис. 9).

Основные результаты и выводы:

1. Регистрация релаксаций мкости гетероструктур как массива данных C(T,t), сохраняемого в памяти компьютера, позволяет в результате одного температурного прохода получить достаточно информации для построения множества спектров НСГУ при варьировании интервала стробности и его положения на релаксационной кривой. Это позволяет увеличить разрешающую способность НСГУ метода в части определения энергий глубоких уровней.

2. Хранение подложек GaAs при нормальных условиях вызывает формирование ПЭС за счт окисления поверхности, увеличения неоднородности и выделения элементарного мышьяка.

3. Обработка в парах селена снижает концентрацию ПЭС до уровня, не регистрируемого используемым вариантом НСГУ метода.

4. При обработке GaAs в парах селена выделяется сверхстехиометричный для растущей фазы селенида галлий, участвующий в рекомбинации точечных дефектов группы EL(парной вакансии VGa+ VAs) в приповерхностной области за счт рекомбинации типа VGa + Gai = GaGa, а также VAs + Gai = GaAs с образованием акцепторных уровней, что приводит к эффекту компенсации в приповерхностной области.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Безрядин Н.Н. Влияние обработки в парах селена на дефекты приповерхностной области арсенида галлия. / Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, Ю.Н. Власов, А.А. Стародубцев, P.K.

Bhatnagar, P.C. Mathur // Известия высших учебных заведений. - Сер. Физика,- 2009г. - №4, - С.72-76.

2. Безрядин Н.Н. Методика регистрации и анализа изотермической релаксации емкости полупроводниковых гетероструктур / Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, А.В. Каданцев, Л.В.

Васильева, Ю.Н. Власов // Приборы и техника эксперимента. - 2010г. - №3 - С.119-122.

3. Безрядин Н.Н. Устойчивость халькогенидной пассивации арсенида галлия в зависимости от времени хранения диодов Шоттки Al/GaAs / Н.Н. Безрядин, А.А.

Стародубцев, Г.И. Котов, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2005, -С. 28 - 31.

4. Котов Г.И. Влияние обработки в парах селена на электрофизические характеристики диодов Шоттки на основе GaAs / Г.И. Котов, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2006, -С. 63 - 69.

5. Котов Г.И. Преобразование системы дефектов GaAs при обработке в парах селена. / Г.И. Котов, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2007, -С. 25 - 28.

6. Котов Г.И. Исследование дефектов в приповерхностной области GaAs методом DLTS / Г.И. Котов, А.В. Каданцев, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2008, -С. 108 - 112.

7. Котов Г.И. Снижение плотности поверхностных электронных состояний при обработке разупорядоченной поверхности GaAs в парах селена / Г.И. Котов, Ю.Н. Власов, Г.А. Панин // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 112 - 118.

8. Котов Г.И. Влияние обработки в парах селена на структуру поверхности GaP и электрические характеристики диодов Шоттки с контактами из Al и Au // Г.И. Котов, С.В.

Кузубов, Б.Л. Агапов, Ю.Н. Власов, А.В. Кортунов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 119 - 123.

9. Титов С.А. Инфракрасный спектрофотометр с полупроводниковым фотодатчиком. / С.А. Титов, Г.А. Панин, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборник научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 124 - 128.

10. Безрядин Н.Н. Токопрохождение и емкостные характеристики диодов Шоттки на основе GaAs с туннельно прозрачным слоем Ga2Se3 / Н.Н. Безрядин, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Седьмая всероссийская молоджная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 5Ц9 декабря 2005.- С.96.

11. Асессоров В.В. Электронно-микроскопическое исследование поверхности GaAs, обработанной в парах селена / В.В. Асессоров,Б.Л. Агапов, Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, А.А. Стародубцев, С.В. Кузубов, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов XXI Российской конференции по электронной микроскопии ЭМТ2006 - Черноголовка, 5-10 июня 2006, - С.

31.

12. Безрядин Н.Н. Диоды Шоттки на основе GaAs с туннельнопрозрачным слоем Ga2Se3 / Н.Н. Безрядин, Г.И. Котов, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов девятой конференции Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V - Томск, 3-5 октября 2006, - С. 171-174.

13. Безрядин Н.Н. Центры локализации заряда в приповерхностной области арсенида галлия / Н.Н. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLV отчтной научной конференции за 2006 год ВГТА, -Ч.2, -С. 136.

14. Безрядин Н.Н. Исследование электронных состояний в GaAs методом НСГУ / Н.Н. Безрядин, Ю.Н. Власов // Материалы XLVI отчтной научной конференции за 2007 год ВГТА, -Ч.2, -С. 125.

15. Безрядин Н.Н. Халькогенная обработка в технологии наноразмерных структур на подложках из арсенида галлия. Тезисы докладов VIII Российской конференции по физике полупроводников. Екатеринбург, 30 сентября-5 октября, 2007, - С.121. Н.Н. Безрядин, Г.И.

Котов, С.В. Кузубов, А.А. Стародубцев, Ю.Н. Власов, Т.А. Кузьменко.

16. Безрядин Н.Н. Влияние обработки арсенида галлия в парах селена на дефекты в приповерхностной области / Н.Н. Безрядин, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Девятая всероссийская молоджная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 3 Ц7 Декабря 2007.- С.99.

17. Безрядин Н.Н. Анализ изотермических релаксаций мкости полупроводниковых гетероструктур по DLTS методике / Н.Н. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLVII отчтной научной конференции за 2008 год ВГТА, -Ч.2, -С.

151.

18. Безрядин Н.Н. Исследование дефектов в приповерхностной области GaAs методом DLTS / Н.Н. Безрядин, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Десятая всероссийская молоджная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 1 Ц5 Декабря 2008.- С.101.

19. Безрядин Н.Н. Экспериментальное выделение моноэнергетического уровня на фоне ПЭС в рамках DLTS методики / Н.Н. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLVIII отчтной научной конференции за 2009 год ВГТА, -Ч.2, -С. 165.

20. Котов Г.И. Реконструкция поверхности AIIIBV (111) в наногетероструктурах, сформированных обработкой в парах селена / Г.И. Котов, С.В. Кузубов, Б.Л. Агапов, Н.Н.

Безрядин, Ю.Н. Власов // Материалы конференции Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах. - Воронеж, 3-8 октября 2010 г.- С.378379.

Работы [1, 2] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций.

Подписано в печать.02. 2012. Формат 60 х 84 1/Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ №.

ФГБОУ ВПО Воронежский государственный институт инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО ВГУИТ Адрес академии и отдела полиграфии:

394036, Воронеж, пр. Революции,    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике