Электронное состояние поверхности GaAs и InP тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

/ /з?~Л .Л / о. /ö. 9t- 2 у

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО

V ^ -

Рк г.

о /2 ■Гм " ( На правах рукописи

'V^nKJ;- ■ 1 - УДК621.31-5.592

- 'Г4 ¿7 .. 'ОД-'' '

Г"

rf. .............■ ' |

БЕДНЫЙ БО^ИЬ ИЛЁ^Ч

ЭЛЕКТРОННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СаАэ и 1пР: ДИАГНОСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ, ПАССИВАЦИЯ

(Специальность 01. 04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

: : \1 '\J

Л

Научный консультант доктор физико-математических наук профессор И.А. Карпович

г. Нижний Новгород, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Основные сокращения и условные обозначения..........................................................4

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................6

ЕЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ЯВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ

ФОТО-ЭДС В ваАз и 1пР................................................................................................................24

1.1. Физические механизмы и модельные расчеты ПФЭ. Сравнение с экспериментом (состояние вопроса)..........................................25

1.2. Длинновременная поверхностная фото-ЭДС в 1пР....................................38

1.3. Люкс-вольтовые характеристики поверхностной

фото-ЭДС в ОаАБ..................................................................................56

1.4. Влияние рекомбинации в области пространственного заряда

на фото-ЭДС в ОаАБ и 1пР................................................................................................................63

1.5. Малосигнальная поверхностная фото-ЭДС..........................................................67

Выводы.......................................................................................................................................................77

ГЛАВА 2. ПЛАНАРНАЯ ФОТОПРОВОДИМОСТЬ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ на ПОЛУИЗОЛИРУЮЩИХ

ПОДЛОЖКАХ.....................................................................................79

2.1. Постановка задачи........................................................................................................................................79

2.2. Об измерении фотоотклика внутреннего (ьп) барьера методом динамического конденсатора........................................................................81

2.3. Методика регистрации зависимости стрь (Уръ).....................................85

2.4. Барьерные эффекты в фотопроводимости тонкопленочных структур......................................................................................................................................................88

2.5. Модель барьерной фотопроводимости........................................................................95

2.6. Экспериментальное подтверждение модели БФП......:........................99

Выводы .................................................................................................109

ГЛАВА 3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОННОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ А3В5..............................................................................111

3.1. Проблемы контроля электронных свойств реальной поверхности полупроводников А3В5...............................................................................111

3.2. Методы определения приповерхностного изгиба зон..........................118

3.3. Определение параметров поверхностных состояний............................130

3.4. Исследование приповерхностной подвижности электронов... 139

3.5. Контроль распределения электрофизических параметров

по поверхности пластины....................................................................................................................142

Выводы............................................................................................................................................................................148

ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ И ЭЛЕКТРОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

ПОВЕРХНОСТИ ФОСФИДА ИНДИЯ............................................150

4.1. Роль адсорбционных воздействий в формировании поверхностного заряда..............................................................................153

4.2. Эффект поверхностного легирования металлами ....................................161

4.3. Влияние окисления на поверхностные свойства InP................. 175

4.4. Ионная обработка поверхности............................................... j 182

4.5. Модификация поверхности атомами серы............................................................190

Выводы....................................................................................................................................203

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ.................................................................... 205

5.1. Зависимость приповерхностного изгиба зон от объемного легирования................................................................................ 206

5.2. Эффект фотопамяти на термически окисленной поверхности GaAs........................................................................................... 213

5.3. Электрические характеристики структур GaAs - анодный

оксид........................................................................................... 219

5.4. Управление электрофизическими свойствами пленок

GaAs в процессе газофазной эпитаксии в системе Ga(CH3)3-AsH3-H2................................................................. 229

5.5. Трансформация потенциального барьера на легированной

золотом поверхности GaAs..................................................... 236

Выводы...................................................................................... 244

ГЛАВА 6. ПАССИВАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ АРСЕНИДА

ГАЛЛИЯ....................................................................................................247

6.1. Пассивация при облучении вакуумным ультрафиолетом..............249

6.2. Сульфидная пассивация...........................................................................................255

6.3. Фосфидная пассивация.................................................................268

6.4. Гетероэпитаксиальная пассивация........................................................................................277

Выводы........................................................................................................................288

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ................ 290

Список авторских публикаций по теме диссертации...................... 296

ЛИТЕРАТУРА................................................................................ 3°1

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АО - анодный оксид

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВФХ - вольт-фарадная характеристика

ДП - диэлектрик - полупроводник

ДПФЭ - длинновременная поверхностная фото-ЭДС

КРП - контактная разность потенциалов

КФЭ - конденсаторная фото-ЭДС

ЛВХ - люкс-вольтовая характеристика

MOCVD - газофазная эпитаксия с применением металлорганических

соеднинений МДП - металл - диэлектрик - полупроводник МОП - металл - оксид - полупроводник МП - металл - полупроводник МПФЭ - малосигнальная поверхностная фото-ЭДС ОПЗ - область пространственного заряда ПЛ - поверхностное легирование ПЭС - поверхностные электронные состояния ПФЭ - поверхностная фото-ЭДС СО - собственный оксид СПР - скорость поверхностной рекомбинации ТВО - термовакуумная обработка ТО - термическая обработка; термический оксид ФЛ - фотолюминесценция фото-ЭДС - фотоэлектродвижущая сила ФП - фотопроводимость

Csc - емкость ОПЗ

Css - емкость ПЭС

d - толщина эпитаксиальной пленки

DP(n) - коэффициент диффузии дырок (электронов)

Ее - энергия дна зоны проводимости

Ees - энергия дна зоны проводимости на поверхности

Ef - уровень Ферми

Efs - уровень Ферми на поверхности

En - энергетическое положение уровня электронейтральности системы

поверхностных состояний Ev - энергия потолка валентной зоны Evs - энергия потолка валентной зоны на поверхности

£ - плотность поверхностных состояний I - интенсивность освещения Ьи - длина амбиполярной диффузии Ь р(П) - длина диффузии дырок (электронов) и - дебаевская длина в собственном полупроводнике 10 - дебаевская длина в легированном полупроводнике Ыс-эффективная плотность состояний в зоне проводимости (Чу-эффективная плотность состояний в валентной зоне п - фактор идеальности ВАХ диодов Шоттки п0, п3 - концентрация электронов в объеме и на поверхности соответственно

р0, Рэ - концентрация дырок в объеме и на поверхности соответственно б - скорость поверхностной рекомбинации Э - кратность фотопроводимости

Щ - высота приповерхностного потенциального барьера

- падение потенциала в оксидном слое \/к - величина КРП

Урь, \/рм - величина поверхностной фото-ЭДС

Уэ - безразмерный приповерхностный изгиб зон

Урь, Урм - безразмерная поверхностная фото-ЭДС

АУри - малосигнальная безразмерная поверхностная фото-ЭДС

чу - ширина обедненного слоя у поверхности

а - коэффициент поглощения света; феноменологический параметр в

кинетике релаксации ПФЭ г)1(или г)) - фактор идеальности люкс-вольтовых характеристик фото-ЭДС |л,п - дрейфовая подвижность электронов р,П5 - дрейфовая подвижность электронов в ОПЗ ЧРв - поверхностный электростатический потенциал с?о - удельная электропроводность полупроводника в состоянии

термодинамического равновесия стэ - поверхностная (квазиповерхностная) проводимость стрь, - фотопроводимость

Дстрь - фотопроводимость, измеренная в малосигнальном (линейном по

интенсивности освещения) режиме X - термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника Хо - энергия электронного сродства Фт - работа выхода электронов из металла Фв - высота потенциального барьера в диодах Шоттки

ВВЕДЕНИЕ

Арсенид галлия и фосфид индия относятся к числу важнейших материалов полупроводниковой электроники. Они успешно используются в. разработках и производстве микро- и оптоэлектронных приборов, устройств СВЧ-техники, на их основе методами нанотехнологии создаются низкоразмерные микроструктуры, с применением которых связывается прогресс в области наноэлектроники.

Физические свойства ОаАэ и 1пР во многих отношениях подобны: у них одинаковая кристаллическая структура, сходное строение энергетических зон, обеспечивающее прямые межзонные переходы, близкие значения ширины запрещенной зоны. Они выгодно отличаются от кремния более высокой подвижностью электронов в слабых полях и более высокими значениями максимальной скорости дрейфа, что позволяет рассчитывать на создание быстродействующих приборов с улучшенными характеристиками. Малые времена жизни носителей заряда и большие, чем у кремния, значения ширины запрещенной зоны делают эти материалы перспективными для производства радиационно-стойких устройств, работающих при повышенных температурах. Наконец, известные технологические достижения в создании высококачественных полуизолирующих кристаллов ¡-СаАэ и МпР позволили использовать эти материалы в качестве диэлектрических подложек, на поверхности которых методами гомо- и гетероэпитаксии можно формировать различные пленочные структуры для дискретных приборов и интегральных схем,

Вместе с тем к началу выполнения настоящей работы (1980 г.) специалисты, занятые разработкой электронных приборов на основе ваЛв, 1пР и

л С

других соединений А В , столкнулись с серьезной физико-технологической проблемой, которая стала основным препятствием для практической реализации в полном объеме преимуществ полупроводников А3В5. Оказалось, что в приборных структурах из-за неудовлетворительного состояния поверхности и границ полупроводника с металлами и диэлектриками возникает высокая

плотность локализованных электронных состояний, что приводит к закреплению (пиннингу) уровня Ферми в узком интервале запрещенной зоны на поверхности. Вследствие пиннинга уровня Ферми не удается обеспечить управление поверхностным потенциалом в эффекте поля и создать базовый элемент для сверхбольших интегральных схем - МДП-транзистор. В диодах Шоттки пиннинг проявляется в значительном ослаблении (или даже отсутствии) влияния работы выхода металла на высоту потенциального барьера, что усложняет технологию изготовления омических контактов и диодов с малой высотой барьера. Высокая рекомбинационная активность поверхности и ге-терограниц является причиной снижения эффективности фотоприемников и лазерных структур. Все это привело к тому, что в физике и технологии полу-

с

проводников А В на первый план выдвинулась задача управления электронными свойствами поверхности и границ раздела.

Значительный прогресс в изучении природы поверхностных электронных состояний в ваАБ и 1пР был достигнут благодаря развитию дифракционных и спектроскопических методов исследования поверхности (дифракция быстрых и медленных электронов, Оже-электронная спектроскопия, рентгеновская и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия и др.), дающих уникальную информацию о «микроскопических» характеристиках атомарно-чистой поверхности в условиях сверхвысокого вакуума - ее строении, химическом составе и электронной структуре. Среди огромного числа публикаций на эту тему выделим работы стенфордской группы исследователей во главе со Спайсером, в которых выполнены детальные исследования поведения уровня Ферми при адсорбции кислорода и атомов металлов и сформулированы простые модельные представления о роли поверхностных дефектов в

с

механизме пиннинга уровня Ферми в полупроводниках А В (1979 - 1990). Теоретическое обоснование модели Спайсера дано в работах Аплена и Доу, рассчитавших энергетические положения точечных дефектов в объеме и на

3 5

поверхности большинства соединений А В (1986).

К середине 80-х годов наряду с изучением атомарно-чистых поверхностей был накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал

по фундаментальным вопросам, касающимся физико-химических и электрических свойств МП- и ДП-границ ОаАэ и 1пР. Большой вклад в формирование современных представлений о происхождении ПЭС на этих границах внесли японские исследователи Хасегава, Савада, Ооно (модель состояний, индуцированных разупорядочением, 1986), последовательно развивающие выдвинутую ранее Овсюком и Ржановым (1969) гипотезу об определяющей роли позиционного разупорядочения межфазных границ в формировании энергетического спектра ПЭС в МДП-структурах.

Таким образом, к началу выполнения настоящей работы достаточно подробно были исследованы атомарно-чистые поверхности, к которым применимы методы фотоэмиссионной спектроскопии, и межфазные границы «диэлектрик-А3В5» и «металл-А3В5» (различные варианты 1-У и С-У измерений). Между тем единый концептуальный подход к решению проблемы управления состоянием поверхности найден не был. Не были разработаны и эмпирические приемы снижения плотности ПЭС и открепления уровня Ферми в приборных структурах на основе этих полупроводников.

В реальных условиях при изготовлении приборов металлы и диэлектрики, как правило, осаждаются на поверхность полупроводника, покрытую более или менее тонким слоем собственного оксида, образовавшимся в результате вынужденной экспозиции полупроводниковой пластины на воздухе (так называемая, реальная поверхность). В связи с этим характеристики приборов должны существенно зависеть от физико-химических свойств оксидных слоев и электронного состояния поверхности полупроводника под слоем оксида. Таким образом, для совершенствования технологии подготовки поверхности, разработки методов контроля ее состояния и улучшения характеристик приборов особое значение приобретает исследование особенностей электронных процессов, протекающих на реальной поверхности ваАБ и 1пР. Такие исследования имеют и самостоятельный научный интерес, связанный с выяснением роли поверхностного оксида в формировании энергетической структуры поверхности, ее зарядового состояния, а также электрических, фотоэлектрических и оптических свойств полупроводника. Отметим, что часто используемый в теоретических и технологических работах, прямой «перенос

на реальную поверхность» модельных представлений, развитых на основе экспериментов с атомарно-чистыми поверхностями или МП- и МДП-структурами явно некорректен и может приводить к появлению необоснованных технологических решений.

В большинстве работ, посвященных исследованию реальной поверхности арсенида галлия и фосфида индия, основное внимание уделялось выяснению элементного и фазового состава поверхности, кинетики ее окисления и влиянию на физико-химические свойства поверхности тех или иных химических обработок.

Первые систематические исследования электронных свойств реальной поверхности ОаАэ, выполненные в конце 60- - начале 70- годов Дмитруком, Ляшенко и Флинном, выявили чрезвычайно важный в научном и прикладном отношении факт существования в СаАв вблизи границы с собственным оксидом ярко выраженного обедненного слоя, играющего значительную роль в механизме электронных явлений в этом материале. Однако по сравнению, например, с поверхностью кремния явно ощущался дефицит информации о специфике электронных и фотоэлектронных процессов на реальной поверхности СаАв и особенно 1пР. Это связано как с более сложной физико-химической природой такой поверхности в бинарных полупроводниках, так и с трудностями количественного определения информационных параметров, характеризующих электронное состояние поверхности (изгиб зон, положение уровня Ферми на поверхности, энергетический спектр ПЭС, параметры приповерхностной области, «скрытой» в пределах слоя обеднения и др.). Так, например, успешно применяемый при исследовании ве и классический метод определения изгиба зон, основанный на измерении поверхностной проводимости в квазистационарном эффекте поля, оказывается непригодным для количественного описания поверхности широкозонных полупроводников с высокой плотностью ПЭС; малые времена жизни неравновесных носителей в ОаАэ и 1пР.затрудняют или делают невозможным применение метода «фото-ЭДС насыщения»; оптические методы диагностики дают определенную информацию о положении поверх