Электронные и кристаллохимические процессы на границах раздела в гетероструктурах с тонкими слоями полупроводников со стехиометрическими вакансиями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

п[ ь оа - з

На правах рукописи

БЕЗРЯДИН Николай Николаевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ И КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С ТОНКИМИ СЛОЯМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СО СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИМИ

ВАКАНСИЯМИ

Специальность 01.04.07 - "Физика твердого тела"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Воронеж -1997

Работа выполнена на кафедре физики Воронежской государственной технологической академии.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ

Доктор физико-математических наук,_

профессор | Б.И.СЫСОЕВ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Доктор технических наук, АРСЕНТЬЕВ И.Н. (ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург). Доктор физико-математических наук, профессор БЕЛЯВСКИЙ В.И. (ВГПУ, г." Воронеж).

Доктор физико-математических наук, ТЕРЕХОВ В.А. (ВГУ, г. Воронеж)

ГИРЕДМЕТ, г. Москва

Защита состоится "М." марта 1997 г. в 14 час на заседании диссе тационного совета Д 063.81.01 при Воронежском государственном техническс университете (394026, г.Воронеж, Московский пр., 14).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского госуда ственного технического университета.

Автореферат разослан ФеопалЯ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Горлов М.И.

Успехи современной микроэлектроники во многом обусловлены использованием в качестве элементов интегральных схем слоистых структур на базе системы диэлектрик-полупроводник (ДП). В основу работы этих элементов положен принцип управления зарядовым состоянием приповерхностной области монокристаллического полупроводника внешним электрическим полем (полевые гетероструктуры, полевые приборы). Эта особенность данного класса приборов определяет совокупность требований к электрическим характеристикам приповерхностной области полупроводника, слоев системы и межфазных границ раздела. Одним из основных является требование о низкой плотности центров локализации заряда (ЦЛЗ). Проблема снижения плотности ЦЛЗ в полевых гетероструктурах решается как путем совершенствования технологических приемов и разработки новых способов формирования известных типов гетероструктур, так и использованием в гетероструктурах новых материалов.

Полевые приборы со структурой металл-ДП (МДП) на основе системы термическая двуокись кремния-кремний (БЮг-ЗО обладают рядом недостатков, в частности, низким быстродействием. Ограничение быстродействия кремниевых полевых транзисторов, связанное с низкой подвижностью носителей заряда у поверхности, является следствием их сильного рассеяния на геометрических и потенциальных неоднородностях границы раздела БЮг-Зь В связи с широко развитой в настоящее время технологией производства кремниевых интегральных схем, представляет интерес поиск материала, который образует с кремнием гетеропереход с более совершенной границей раздела и может использоваться в качестве подзатворного слоя в полевых приборах типа МДП.

Повышение быстродействия полевых приборов может быть достигнуто заменой кремния на полупроводник АШВУ (ОэАб, 1пР) с большей подвижностью носителей заряда. Но традиционный подход в этом направлении, основанный на использовании диэлектрических слоев в этих полевых приборах, не приводит к желаемому результату из-за высокой плотности ЦЛЗ на границе раздела Д-АШВУ.

Значительный успех был достигнут реализацией идеи о формировании полевого прибора на основе гетероперехода АЮаАз-СаАв. Однако функциональные возможности такого прибора ограничены, поскольку диапазон изменения состояния приповерхностной области пространствен-

ного заряда (ОПЗ), при варьировании внешнего напряжения, не включает все состояния, известные из модели полевого транзистора со структурой МДП и наблюдаемые в транзисторах на основе системы БЮг - 81.

В работах Сысоева Б.И. и Сынорова В.Ф. определены условия, при выполнении которых тонкий слой широкозонного полупроводника (ГГ), включенный в гетероструктуру, может выполнять функции диэлектрического в отношении экранирования внешнего электрического поля. В этих же работах впервые были предложены для использования в качестве слоев П' полупроводниковые соединения с рыхлой кристаллической структурой. Это соединения со стехиомеггрическими вакансиями типа А2шВзУ1 и широкозонные полупроводники из класса материалов с общей формулой АпВгу. Электрические характеристики этих соединений слабо чувствительны к примесям и радиационным воздействиям; подвижность основных носителей в них в НИ 4-Ю5 раз меньше, чем в Si и СаАБ; большинство полупроводников АгшВэУ1 кристаллизуются в решетке типа сфалерит. Последнее обстоятельство допускает возможность удовлетворить принципам объемного соответствия в гетеропереходах типа АгшВзУ1 - Б!, Аг1ПВз¥1 - АШВУ и, соответственно, получить границу раздела с низкой плотностью ЦЛЗ.

Изложенное определяет актуальность темы настоящего исследования.

В работе ставилась цель: установление закономерностей формирования гетеропереходов на основе кремния и арсенида индия с тонкими слоями соединений А2шВзУ1 и электронных процессов в полевых гетеросгруктурах на основе этих гетеропереходов.

Основные задачи вытекают непосредственно из цели работы:

1. Выбор материалов из класса полупроводников А2шВзУ[ для формирования гетеропереходов на основе кремния и арсенида индия.

2. Выбор и разработка способов и исследование условий формирования тонких слоев соединений А2шВзУ1 на подложках из кремния и арсенида индия.

3. Развитие модельных представлений об электростатических характеристиках полевых гетероструктур с тонкими слоями широкозонных полупроводников ГГ с учетом ЦЛЗ, существующих в реальных слоистых системах МП'ДП и МДП'П.

4. Изучение электронных явлений в полевых гетеросгруктурах Ме-А2шВзу1-51 и Ме-А2шВзу1 - ¡пАб.

4.1. Исследование электрических характеристик слоев полупроводников класса А2шВзУ1 на подложках из кремния и арсенида индия.

4.2. Исследование электронных явлений на границах раздела А21ПВзу1-& и А2шВзу> - 1пАз.

Объекты и методы исследования.

Моделирование электростатических процессов в полупроводниковых гетероструктурах типа МП'П, МП'ДП и МДП'П проведено в слоистых системах на основе кремния с тонкими пленками широкозонных полупроводников классов А»В2у (гаРг, СйРг) и А2ШВ3У1 (ОагБз, СагЗез). Некоторые эксперименты проведены с пленками СсЮа28е4 и АвгЗез. Для более подробного изучения была выбрана система ОагБез-Бь поскольку в ней наиболее полно реализуется требование однотипности и соответствия параметров кристаллических решеток контактирующих материалов (рассогласование постоянных решеток менее 0,2 %).

Арсенид индия был выбран в качестве основного объекта для исследования гетероструктур на основе полупроводников АП1В1/ Это обусловлено высокой подвижностью электронов в этом материале, что делает его перспективным для полевых приборов СВЧ электроники. Кроме этого, ГпАэ является значительно менее изученным материалом из класса полупроводников АШВУ по сравнению с ОаАв и 1пР. Из полупроводниковых материалов с общей формулой А2шВзУ1, для гетероструктур на основе ГпАб, были выбраны соединения с наиболее близкими к 1пАб значениями параметров кристаллических решеток: ГпгТез, вагТез, ГпгБз и твердые растворы в системе 1пгТез - вагТез.

Ряд экспериментов по изучению электронных состояний на поверхности полупроводников АШВУ в гетероконтакте с А2шВзУ1 были проведены на арсениде галлия.

При исследовании условий формирования гетеропереходов использовались: электронная Оже-спектроскопия, рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), электронография в отраженных и проходящих лучах, электронная микроскопия в растровом и просвечивающем электронных микроскопах.

Электронные явления изучались с использованием различных модификаций методов вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, метода частотных зависимостей дифференциальной проводимости и емкости в

интервале температур 90 К -¡-500 К, температурных зависимостей дифференциальной проводимости, серии методов, основанных на температурной стимуляции процессов освобождения ЦЛЗ и метода изотермической сканирующей спектроскопии глубоких уровней (ИССГУ), являющегося разновидностью метода нестационарной спектроскопии глубоких уровней.

Научная новизна полученных в работе результатов определяется тем, что в ней впервые;

• получены гетеропереходы вагБез - 81,1пгТеэ - ИпАв, кгЭз - 1пА$ и 1п&Са2(1-х)Тез - ГПАБ;

• рассмотрены модели электростатических характеристик гетеро-сгруктур с тонкими слоями широкозонных полупроводников П' с учетом ЦЛЗ в слоях и на границах раздела слоистой системы;

• разработаны способы получения слоев сильно диссоциирующих соединений с инконгруэнтным характером испарения (типа 1пЛез) в квазизамкнутом объеме (КЗО);

• установлены механизмы протекания гетеровалентного замещения в системе халькоген-арсенид индия при формировании слоев халькогенидов 1пгВзУ1 на подложках из 1лА8;

• для тонких слоев полупроводников АгшВэУ1 на и ¡пАя установлены:

1) механизмы токопрохождения;

2) параметры ЦЛЗ;

3) связь концентрации ЦЛЗ ловушечного типа со структурным совершенством слоя ;

• исследованы электронные процессы на границах раздела СагЗез^, А21"ВзУ1 - 1ПАБ;

• установлено образование на поверхности СаАя (100) псевдоморфно-го слоя халькогенида галлия, в неполярной кристаллографической ориентации (110] в результате обработки поверхности арсенида галлия в парах серы, селена или теллура;

• предложено объяснение факта снижения плотности поверхностных электронных состояний на полупроводниках АШВУ и соответствующего открепления уровня Ферми, реконструкцией поверхности в процессе обработки ее в парах халькогенов (Б, 8е, Те) и образования псевдоморфного слоя халькогенида.

Таким образом, на защиту выносятся следующие основные положения:

1. При формировании полупроводниковых гетеропереходов в системах 1тВзУ1 - 1пАв в процессе термического отжига арсенида индия в парах халькогенов, гетеровалентное замещение может протекать по трем механизмам:

• термическая диссоциация 1пАз, выделение на поверхности индия и химическая реакция его с халькогеном;

• диффузия халькогена в подложку с последующим выделением зародышей новой фазы (1п2ВзУ1);

• химическая реакция халькогена с молекулой 1пАб непосредственно на поверхности подложки с замещением мышьяка на халькоген.

Более универсальным способом формирования гетеросгруктур с полупроводниковыми слоями соединений класса А2шВзУ1, пригодным для получения слоев сильно диссоциирующих соединений с инконгруэнтным характером испарения (типа ЫгТез), является предложенный в работе метод напыления в КЗО из независимых источников элементарных компонентов.

2. Электростатические характеристики МП'ДП и МДП'П гетеросгруктур на основе кремния со слоями широкозонных полупроводников типа 2пР2 и ОагБез хорошо описываются в рамках рассмотренных в работе моделей, учитывающих ЦЛЗ в слоях и на границах раздела исследуемых систем.

Электронные процессы на границе раздела СагБез-Зи получаемой как без, так и с предварительной обработкой поверхности Бьподложки с целью ее очистки от естественного оксида непосредственно перед осаждением слоя селенида галлия, контролируются электронными состояниями, энергетическое распределение которых подобно наблюдаемому на границе раздела 8102-81. Предложено объяснение формирования промежуточного подслоя типа БЮ* в результате коалесценции на межфазной границе кислородсодержащих комплексов из приповерхностной области Бьподложкн в процессе цикла термической обработки кремния при получении слоя вагЗез.

3. Электрические свойства тонких слоев СагБез на 84, 1тТеэ, 1пг8з и 1п2хСаг(1-*)Тез на арсениде индия определяются двумя глубокими уровнями в запрещенной зоне материала. При этом концентрация ЦЛЗ с меньшей энергией активации (акцепторного типа в п - 1пгТез) зависит от структурно-

го совершенства слоя.

4. Наряду с известными методами анализа состава и структуры (Оже-спектроскопия, РСМА, электронная микроскопия и др.) переходных областей в полевых гетероструктурах, формируемых способами, основанными на гетеровалентном замещении, целесообразно использовать рассмотренные в данной работе методики оценки электрических параметров переходных областей из исследования вольт-фарадных характеристик. С этой целью гетеросгруктуру удобно рассматривать в рамках модели МДП'П-системы, где слой ГГ соответствует переходной области.

5. Взаимодействие халькогена с поверхностью GaAs (100) сопровождается формированием псевдоморфного слоя халькогенида галлия в неполярной кристаллографической ориентации [110]. После обработки поверхности арсенида галлия в парах различных халькогенов в спектрах ИССГУ исчезает пик, ответственный за поверхностные электронные состояния (ПЭС). Совокупность этих двух фактов объясняется в рамках модели, предполагающей связь реконструкции поверхности GaAs в процессе взаимодействия с халькогеном и переход электронных состояний из запрещенной зоны в разрешенные на реконструированной поверхности GaAs. Минимальные значения плотности ПЭС на GaAs достигаются после совместной обработки поверхности в селене и теллуре, когда образующийся халькогенид (Ga2Se3*Te3(i.*)) имеет минимальное рассогласование по параметру решетки с арсенидом галлия.

Совокупность полученных в работе результатов, сделанных выводов и сформулированных положений можно рассматривать как новое научное направление "полевые гетеросгруктуры на основе полупроводников AIV и AmBv с тонкими слоями соединений класса А2шВэУ1".

Практическое значение результатов работы определяется следующим.

Предложенные и разработанные способы формирования тонких слоев полупроводниковых соединений в квазизамкнутом объеме из независимых источников могут использоваться для получения совершенных по структуре пленок различных по составу полупроводниковых соединений.

Тонкие пленки GajSe3 могут использоваться не только в качестве под-затворного слоя в кремниевых МДП-элементах, но и как переходная, согласующая параметры кристаллических решеток область, для формирования совершенных слоев арсенида галлия на кремнии.

Непосредственный интерес для электронной промышленности могут представить установленные в процессе исследования условий формирования гетеросгруктур на 1пАв и условий обработки в парах халькогенов поверхности ваАБ технологические параметры процессов, обеспечивающих минимальные значения плотности ПЭС на этих материалах.

Рассмотренные в работе принципы использования толстых слоев полупроводниковых материалов для защиты поверхности элементов микроэлектроники от внешних воздействий могут представить интерес не только для целей пассивации поверхности, но также и для разработки новых типов полевых приборов.

Экспериментально обоснованная возможность лазерностимулиро-ванного формирования сильнолегированных областей в арсениде индия может быть использована при изготовлении полевых транзисторных структур на основе полупроводниковых гетеропереходов АгшВзУ1 - АГПВУ.

Выводы относительно механизмов гетеровалентного замещения, сделанные на основании результатов изучения системы халькоген - арсенид индия, могут использоваться при практической реализации задач, связанных с обработкой поверхности полупроводников АШВУ в халькогенсодер-жащих средах и задач по формированию гетеросгруктур на основе систем А2шВзУ1 - АШВУ.

Личный вклад автора в диссертационную работу. Автором были поставлены задачи, выполнение которых позволило обосновать положения, вынесенные на защиту, предложены способы формирования гетеросгруктур и основные направления исследований для решения поставленных задач. В подавляющем большинстве экспериментов автор принимал непосредственное участие.

Первоначально исследования проводились совместно с В.Ф.Сыно-ровым и Б.И.Сысоевым, затем в работе принимали участие А.П.Ровинский,

A.С.Дронов, Н.А.Мартынова (глава 1), Г.В.Сонов, Н.И.Сухоруков, Ю.В.Сыноров, Т.А.Кузьменко (глава 2), Б.Л.Агапов (главы 2, 3, 5), Ю.К.Шлык (главы 3, 4), А.В.Буданов, Т.В.Прокопова (главы 4, 5),

B.Д.Стрыгин, Г.И.Котов, М.П.Сумец (глава 6).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Новые физические методы преобразования информации" (г.Москва, 1975 г.); Всесоюзной конфе-

ренции "Тройные полупроводники и их применение" (г.Кишинев, 1976 г.);

III Республиканской конференции молодых ученых "Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов" (г.Тбилиси, 1977 г.); VI Всесоюзном совещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках (г.Киев, 1977 г.); IV (г.Ужгород, 1978 г.); V (г.Душанбе, 1982 г.), VII (г.Воронеж, 1987 г.) Всесоюзных координационных совещаниях по полупроводниковым соединениям AirBv; II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (г.Ташкент, 1980 г.); VIII научно-технической конференции "Электрическая релаксация и электретный эффект в твердых диэлектриках" (г.Москва, 1980 г.); I (г.Кишинев, 1982 г.), II (г.Кишинев, 1986 г.), III (г.Кишинев, 1991 г.) Всесоюзных конференциях "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов"; III (г.Одесса, 1982 г.), IV (г.Минск, 1986 г.), V (г.Калуга, 1990 г.) Всесоюзных конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетеро-сгруктурах; I (г.Гурзуф, 1983 г.), II (г.Одесса, 1986 г.), III (г.Одесса, 1988 г.),

IV (г.Сочи, 1991 г.) всесоюзных совещаниях-семинарах "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем"; Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники" (г.Минск, 1985 г.); Ill Всесоюзном семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" (г.Рязань, 1985 г.); II Всесоюзной конференции "Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" (г.Воронеж, 1987 г.); XXXII (1987 г.) и XXXV (1990 г.) Международных научных коллоквиумах (г.Ильменау, Германия); V Всесоюзной школе "Физико-химические основы электронного материаловедения" (г.Иркутск, 1988 г.); VII (г.Москва, 1988 г.) и VIII (г.Харьков, 1992 г.) Всесоюзных конференциях по росту кристаллов; II Всесоюзной школе по физике и химии рыхлых кристаллических структур (г.Харьков, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (г.Ленинград, 1989 г.); XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г.Киев, 1990 г.); III Всесоюзной конференции "Физика окисных пленок" (г.Пеггрозаводск, 1991 г.); VII Всесоюзной (г.Звенигород, 1991 г.), IX Российском (г.Черноголовка, 1995 г.) симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел; I Национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (г.С.-

Петербург, 1992 г.); Конференции по электронным материалам (г.Новосибирск, 1992 г.); Международной конференции по лазерной технологии (г.Москва, 1992 г.); 16-ом (г.Воронеж, 1988 г.), 19-ом (г.Тарусе, 1992 г.), 20-ом (г.Ярославль, 1993 г.) координационных совещаниях секции РАН "Полупроводниковые гетероструктуры"; Международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (г.Воронеж, 1995 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 75 работах, цитируемых по ходу изложения текста диссертации. Основными следует считать 42 работы, указанные в списке.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, обсуждения результатов и выводов, изложенных на 310 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков, 7 таблиц и списка литературы из 447 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, основные задачи и научная новизна, положения, выносимые на защиту, рассмотрено практическое значение результатов работы. Кратко охарактеризован личный вклад автора в научные результаты, представленные в диссертации.

В первой главе приведены результаты исследования полевых гетеро-структур на основе системы БЮг - с поликристаллическими слоями ди-фосфида цинка, дифосфида кадмия и селенида галлия.

В начале главы дается обзор работ, в которых обоснованы возможности и перспективы использования тонких слоев широкозонных полупроводников в полевых гетероструктурах типа МП'П, МП'ДП и МДП'П. Моделирование подобных слоистых систем композициями на основе кремния со слоями соединений класса АпВгу и Аг1ПВзУ1 привело к необходимости развития модельных представлений об идеализированных структурах с целью описания электрических характеристик исследуемых гетеросгруктур с учетом ЦЛЗ в слоях и на границах раздела. В рамках этих представлений объяснены электростатические характеристики гетеросгруктур с поликристаллическими слоями ZnP2, Сс1Р2, вагБез, СагБз на кремнии и на композиции термическая двуокись кремния - кремний. Наиболее близкими к идеа-

лизированной модели МП'П гетероструктуры при комнатной температуре оказались электростатические характеристики систем со слоями дифосфида цинка или кадмия.

В системах с поликристаллическими пленками селенида галлия ЦЛЗ вносили существенный вклад в вид ВЧ зависимостей C(V) при комнатной температуре. Проявлялись центры как в самом слое Ga2Se3, так и на границе раздела слоя селенида галлия с термической двуокисью кремния в двухслойных структурах A/-Ga2Se3-Si02-Si. В то же время именно в структурах с Ga2Se3 следовало бы ожидать высокое качество границы раздела с Si, поскольку параметры кубических решеток Si и Ga2Se3 отличаются при комнатной температуре всего на ~ 0,2 %, а при температуре ~ 800 К полностью совпадают.

Эти особенности электрических характеристик гетероструктур на основе кремния с поликристаллическими пленками Z11P2 (СёРг) и Ga2Se3 обусловлены присутствием на поверхности Si-подложки подслоя естественного оксида. При этом, отмечаемое при комнатной температуре совершенство границы раздела П'П в гетеросгруктурах с пленками дифосфида цинка (кадмия), связано со стабилизирующим действием на естественный оксид кремния паров цинка и фосфора, состоящим, вероятно, не только в связывании подвижного заряда в оксиде кремния, но и в формировании твердых растворов в системе фосфид цинка - оксид кремния с меньшей плотностью ЦЛЗ, чем на гетерогранице селенид галлия - оксид кремния.

В рамках модели слоисто-неоднородного полупроводника с ЦЛЗ на границах между слоями показано, что при толщинах слоев меньше 3 Ld (Ld - дебаевская длина экранирования) величины внутренних междуслой-ных барьеров сравнимы с кТ (при комнатной температуре, к - постоянная Больцмана) и их вклад в электрофизические процессы в подобных системах незначителен. При этом ЦЛЗ на междуслойных границах должны проявляться аналогично случаю полупроводника с однородно распределенными ЦЛЗ. Данный вывод допускает обобщение на случай поликристаллических образцов, когда максимальные размеры кристаллитов не превышают 3 Ld (подобное соотношение выполнялось в поликристаллических пленках, исследуемых в данном разделе работы).

В результате проведенных на этом этапе работы исследований стало понятно, что для формирования качественной границы раздела в полевой

гетероструктуре на основе кремния, наиболее пригодна система СагБез-Б!, а для реализации хорошего соответствия параметров однотипных кристаллических решеток этих материалов необходимо использовать методы получения, допускающие формирование более совершенных по структуре слоев с предварительным, непосредственно перед осаждением слоя, удалением естественного оксида с поверхности БЬподложки. Поэтому во второй главе подробно исследованы условия получения и электронные явления в гетеро-системе селенид галлия - кремний. Для этого был разработан способ синтеза тонких пленок на подложке в КЗО из независимых источников элементарных компонентов. Только после обработки поверхности -подложки (Тп ~ 1070 К) в потоке атомов галлия или в парах селена с целью очистки от естественного оксида кремния непосредственно перед формированием слоя вагБез в том же КЗО, получались монокристаллические слои этого соединения. Но плотность ПЭС на границе раздела таким образом полученного селенида галлия с кремнием п-типа оказалась в ~ 102 раз выше, чем в гете-роструктурах, полученных без предварительной обработки поверхности БЬ подложки. Для объяснения этой особенности были проведены эксперименты по влиянию термического (в инертной среде и в вакууме), быстрого термического (или импульсной фотонной обработки, ИФО) и радиационного (у- и рентгеновское излучение) воздействия на электрические характеристики границ раздела вагБез-Б! и 5102-81. Установлено, что наиболее вероятным фактором, обусловливающим высокую плотность ПЭС границы раздела СагЗез-Б!, полученной с предварительной обработкой поверхности в потоке атомов галлия, является сопутствующий этой обработке термический отжиг при Тп 1070 К. Длительная выдержка при такой температуре приводит к формированию в объеме кристалла "новых доноров". Механизм встраивания ПЭС, предложенный в данной работе, основывается на этом известном факте и обосновывается экспериментами по влиянию адекватных режимам формирования селенида галлия термических воздействий на систему вЮг-Бь Комплексы типа БЮт (т ~ 2 ч- 4), принимаемые за основу "термодонорного" дефекта в объеме кремния, в данной работе рассматриваются в приповерхностной области кремния, проявляющими электрическую активность как ПЭС. ИФО систем СагБез-Б! (п-типа) и БЮг^ (п-типа), проведенная в режимах, выбранных в данной работе, обеспечивает снижение плотности ПЭС этого типа как в структурах с пленками ОагБез,

так и с пленками SiC>2. При этом в последнем случае достигается уровень плотности ПЭС ниже, чем в исходных структурах SiC>2-Si (n-типа), прошедших отжиг при Т ~ 1400 К в инертной среде. Одинаковый характер энергетического распределения и близость значений плотности ПЭС в обоих типах гетероструктур, позволили сделать вывод о существовании подслоя оксида кремния и в структурах с вагБез, полученных после обработки поверхности Si в потоке атомов галлия или в парах селена. Образование этого оксида, по-видимому, происходит на этапе ИФО гетеросгруктуры в результате коалесценции отдельных комплексов SiOm в приповерхностную фазу SiOjt. То есть, хотя на первых стадиях осаждение происходит на поверхности Si, очищенной от естественного оксида, о чем свидетельствует факт улучшения кристаллической структуры пленок Ga2Se3, подслой, подобный естественному оксиду, возникает впоследствии на гетерогранице Ga2Se3-Si из кислорода, растворенного в Si. Возможно, что этот процесс "геттерирования" кислорода на границе раздела гетеросгруктуры обусловливает повышенную радиационную стойкость гетеросисгем на основе Si после ИФО, установленную в данной работе. Тепловой эффект от воздействия ИФО, проводимой в условиях, отвечающих выбранным в данной работе режимам (обеспечивающим снижение плотности ПЭС на изучаемых гетерограницах), соответствует температуре кремниевой подложки не более 1170 К. Обычный термический отжиг в инертной среде при Тп < 1370 К не приводит к снижению плотности ПЭС, достигаемому после ИФО. Вероятно, происходящее в процессе ИФО сращивание отдельных комплексов SiOm в пограничную фазу SiOx стимулируется не только температурным, но также и фотонным воздействием.

Таким образом, во всех полученных в работе полевых гетерострукту-рах на основе гетероперехода Ga2Se3-Si присутствует кислородосодержащая пограничная фаза, обусловливающая характер энергетического распределения ПЭС, подобный регистрируемому на границе раздела Si02-Si. В то же время в гетероструктурах на основе Si р-типа в большей степени проявлялись ПЭС флуктуационной природы, связанные с неоднородно распределенными зарядами в пограничной кислородсодержащей фазе или в самом слое Ga2Se3. В пользу последнего предположения свидетельствуют результаты исследования влияния отжига сформированных гетероструктур Ga2Se3-Si в парах селена после проведения ИФО.

Способ напыления соиспарением элементарных компонентов соединения в КЗО, предложенный и использованный выше для формирования тонких пленок вагВез, кроме возможности предварительной (перед нанесением слоя) обработки поверхности подложки в парах или в потоке одного из компонентов соединения, обеспечивает условие раздельного регулирования соотношения компонентов напыляемого соединения у конденсирующей поверхности. Это оказалось необходимым для напыления пленок тел-луридов индия и галлия в КЗО при формировании полевых геггероструктур на основе арсенида индия. Исследованию условий получения этих гетеро-сгруктур посвящена третья глава диссертации.

ЫгТез относится к классу не только сильно диссоциирующих соединений, но и с инконгруэнтным характером испарения. Это было установлено и в данной работе при изучении условий получения тонких слоев этого соединения испарением навески из 1пгТез в КЗО. Присутствие в камере КЗО в этих процессах только паров теллура и, соответственно, протекание реакции арсенида индия только с теллуром было доказано проведением подобных процессов в той же камере, но при помещении в источник испаряемого вещества только теллура. Слои теллуридов, получаемые в этих экспериментах, образовывались в процессе гетеровалентного замещения мышьяка в решетке 1пАз на теллур. Из сопоставления кинетических и термодинамических зависимостей формирования слоя 1пгТез в том и другом случаях получено полное соответствие значений давлений паров теллура над 1тТез и над чистым теллуром, отвечающих одинаковым конечным параметрам образовавшегося слоя. Из исследования условий протекания ГВЗ в системе теллур-арсенид индия выделено три превалирующих механизма образования слоя в процессе термического отжига ГпАв в парах теллура. Совпадение температурных интервалов протекания хотя бы двух из отмеченных механизмов может вызывать появление неоднородностей в пределах толщины образующегося слоя. Именно такая ситуация реализуется в системе теллур-¡пАб. Это обусловило невозможность формирования совершенной границы раздела ¡тТез^пАв методом ГВЗ при проведении процессов в парах одного теллура. Противодавление мышьяком во время проведения ГВЗ смещает процесс замещения в область более высоких температур, что обеспечивает формирование слоя в условиях действия только одного механизма. При этом удается получить структурно совершенные слой и границу раздела в

гетеропереходе теллурид индия - арсенид индия. Однако слой в этом случае содержит значительное количество мышьяка (более 3 ат.% по данным РСМА) и становится менее высокоомным (~ в 103 раз), чем чистый 1пгТез.

Таким образом, метод ГВЗ оказался непригодным для формирования полевых гетероструктур на основе системы ¡пгТез-ШАв либо из-за высокой плотности макродефектов на границе раздела, либо из-за низкой омности образующегося слоя. В последнем случае не выполняется условие малости сквозных токов утечки по сравнению с суммой генерационных токов в ОПЗ 1пАз.

Монокристаллические слои 1тТез на 1пАв с границей раздела без макроскопических дефектов получались напылением в КЗО из независимых источников. Более полного соответствия параметров кристаллических решеток подложки и материала подзатворного слоя в полевой гетерострукту-ре на основе арсенида индия можно достичь используя вместо 1пгТсз твердый раствор в системе ЫгТез-СагТез: соединение 1п2хСаг(1-х)Тез при х ~ 0,65 имеет параметр решетки, в точности совпадающий с соответствующей величиной для 1пАв. Для получения тонких слоев этого материала в КЗО вводился дополнительный источник галлия. По данным электронографии "на отражение" формируемые таким образом пленки 1п2хСа2о-х)Теэ имели монокристаллическую структуру как и пленки 1тТез, получаемые таким же способом. Из исследования этих образцов в электронном микроскопе в режиме микродифракции были выделены три группы рефлексов, присутствующих на электронограммах различных участков гетерограницы пленка-подложка вблизи отверстия. Одна из них соответствовала 1пАб, вторая отвечала соединению типа а-1пгТез, наблюдалась от участков, не содержащих подложки и совпадала с дифракционной картиной, регистрируемой в отраженных от поверхности пленки электронах. Третья группа рефлексов давала большое число значений межплоскостных расстояний, не совпадающих с известными последовательностями для теллуридов индия и галлия. По-видимому, эти значения принадлежат твердым растворам из системы ^гТез-вагТез. Выделение из этого набора групп рефлексов, составляющих единые системы из межплоскостных расстояний и идентификация кристаллографических направлений, соответствующих этим рефлексам, позволило провести оценку постоянных кристаллических решеток (а„), обусловливающих каждую из выделенных дифракционных картин. В зависи-

мости от температуры источника галлия, полученные значения а» оказались в диапазоне от ~ 17,9 А до ~ 18,1 А. Поскольку независимо от температуры источника галлия на электронограммах, полученных способом "на отражение", присутствовали только рефлексы с параметрами, близкими к а-ШгТез (я« - 18,43 А), было сделано предположение о градиенте состава полученных пленок 1п2хСа2(1-*)Тез в пределах толщины слоя. Это предположение уточнили исследования методом РСМА, проведенные по малоугловому клину с контролируемой геометрией и данные послойного Оже-анализа. Установлено, что состав действительно изменяется с толщиной и у границы с подложкой достигает стехиометрии соединения 1п|,зСао,7Тез, когда значение х ~ 0,65. Характер изменения состава пленки по толщине, по-видимому, свидетельствует о стабилизирующем влиянии подложки на состав растущего слоя, которое состоит в том, что из газовых фаз с различным соотношением компонентов соединения 1п2*Са2(|-х)Тез, на подложке из ТпАб на первых стадиях процесса формируется твердый раствор (с х ~ 0,65), постоянная решетки которого в точности соответствует значению аа для ГпАэ. Отмечено также присутствие на микродифракциогшых картинах систем из рефлексов, не соответствующих ориентации подложки и верхней части слоя теллурида. Например, на подложке 1пАв (111) наблюдались системы рефлексов, соответствующие плоскости (211) слоя теллурида.

Одной из проблем, требующих решения при формировании полевых гетероструктур, является минимизация плотности ЦЛЗ на границах раздела и в слоях системы. Изучению параметров ЦЛЗ в гетеросгруктурах на основе 1пАб со слоями теллуридов посвящена четвертая глава данной диссертационной работы. Плотность и характер энергетического распределения ЦЛЗ определялись с использованием методов ВАХ, С-У характеристик, температурных и частотных зависимостей дифференциальной проводимости и емкости. Для пленок 1пгТез, полученных различными способами, на температурных зависимостях тока при Т > 200 К присутствовал участок с наклоном (в координатах I от Т-1 ), примерно соответствующим половине ширины запрещенной зоны этого материала. Для массивных кристаллических образцов ГпгТез появление этого участка на температурной зависимости тока или концентрации связывается с переходом к собственной проводимости. Однако, приложение к исследуемым в данной работе слоям электрических полей более 105 В/см приводило к уменьшению этих значений

наклона, что в совокупности с результатами анализа ВАХ этих же образцов объясняется присутствием в запрещенной зоне материала ЦЛЗ с энергией вблизи середины запрещенной зоны (~ 0,5 эВ в 1тТез). Понижение энергии активации этого ЦЛЗ электрическим полем происходило в соответствии с механизмом токопрохождения Пула-Френкеля. Концентрация центра, из анализа зависимостей С(У) и температурных зависимостей дифференциальной проводимости [От(Т,ш)], оказывалась на уровне - 5-Ю15 см-3 независимо от способа получения и температуры подложки при формировании слоя каким-то одним способом. То есть, концентрация этого центра не зависит от структурного совершенства слоя, его присутствие обусловлено объемными свойствами кристаллитов и присуще самому материалу 1пгТез. Для слоев твердых растворов 1п2хОа2(1-х)Тез (при х ~ 0,65) эти ЦЛЗ проявлялись с энергией активации ~ 0,6 эВ, что также близко к значению половины ширины запрещенной зоны этого твердого раствора. Концентрация ЦЛЗ в этих слоях соответствовала ~ 8-1015 см-3 и также не зависела от структурного совершенства слоя. Отметим, что центр с энергией ~ 0,72 эВ проявляется в поликристаллических пленках ОагБез. При этом его вклад в электрические характеристики слоя селенида галлия полностью подобен наблюдаемому для ЦЛЗ в слоях теллуридов. В последних, наряду с глубокими ЦЛЗ (~ 0,5 эВ 4- 0,6 эВ) с донорными свойствами, проявлялись центры с энергией ~ 0,36 эВ, по своим характеристикам соответствующие нейтральной ловушке. Концентрация этих ЦЛЗ зависела от структурного совершенства слоя, сформированного напылением при различных температурах подложки: увеличивалась при переходе от монокристаллических слоев к текстурированным поликристаллическим от ~ 1013 см-3 до - 51016 см-3. Этот факт позволяет связать появление этих ЦЛЗ с дефектами типа границ зерен в пленках. ЦЛЗ акцепторного типа обнаружены на границе раздела СагБез-ЗЮг. То есть, на контакте между отдельными кристаллитами или на гетероконтакте ОагБез-ЗЮг возникают ЦЛЗ акцепторного типа. Для соединений типа А2шВзУ1 ранее рассматривалась модель ЦЛЗ, основанная на проявлении электрической активности вакансий в подрешетке халькоге-на. Делалось предположение об электрической активности комплексов из этих вакансий вблизи структурных дефектов в кристаллах АгшВзУ1. В исследуемых в данной работе слоях функции такого структурного дефекта могут выполнять границы раздела кристаллитов или поверхность пленки

А2шВзу1 в гетероконтакте. По-видимому, на этих границах раздела скапливаются вакансии халькогена, проявляющие электрическую активность как ЦЛЗ акцепторного типа. В пользу этих представлений свидетельствуют результаты исследования плотности ПЭС на границе раздела вагБез-Б! после дополнительного отжига этих систем в парах селена. Отметим, что для наиболее структурно-совершенных, кристаллических пленок 1пгТез, полученных методом ГВЗ, концентрация этих ЦЛЗ акцепторного типа не превышала ~ 51014 см-3.

Центры, энергия активации которых близка к значению половины ширины запрещенной зоны материала слоя, проявляли донорные свойства как в слоях теллуридов, сульфидов, так и в поликристаллических слоях се-ленида галлия. Их присутствие может быть объяснено в рамках модели, связывающей появление глубокого ЦЛЗ в соединениях типа А2шВзУ1 с локализацией избыточных элементов Ат или примесных атомов в стехио-метрических вакансиях. Тогда концентрация этих центров должна значительно превышать концентрацию свободных и локализованных на других центрах зарядов. Только в этом случае возможна фиксация уровня Ферми в широком интервале температур. В исследуемых же слоях теллуридов концентрация глубокого уровня оказывалась сравнительно низкой (~ 5-10|5см-3). Невелика в кристаллических слоях теллуридов и концентрация ЦЛЗ акцепторного типа (АЕ1 ~ 0,36 эВ, N1 < 1013 см-3). В целом, проведенные в данной работе исследования не позволяют сделать заключение относительно превалирующего механизма образования ЦЛЗ в соединениях типа А2»'ВзУ1 с участием стехиометрических вакансий. В то же время из результатов данной работы следует, что слои теллуридов, полученные с использованием предложенных способов, в отношении концентрации ЦЛЗ вполне пригодны в качестве слоев П'. Однако, для полевых гетеросгруктур , на основе арсенида индия эти слои оказались недостаточно высокоомны. Поэтому управление состоянием приповерхностной ОПЗ в ШАв внешним электрическим полем в этих полевых гетероструктурах оказалось возможным только после нанесения сверху теллурида диэлектрического слоя А/20з. Факт открепления уровня Ферми на поверхности 1пАв следовал также из исследования КРП между поверхностью образца и платиновым электродом в зависимости от толщины сформированного слоя теллурида.

Из трех выделенных в данной работе механизмов протекания ГВЗ в системе теллур-арсенид индия наиболее интересен с точки зрения формирования качественной границы раздела в гетеропереходе A2niB3VI-AmBv механизм, основанный на реакции халькогена с молекулой AU1BV непосредственно на поверхности подложки. Из анализа параметров, обусловливающих превалирование какого-либо из установленных механизмов ГВЗ следует, что для подложек из InAs реакция непосредственно на поверхности подложки может протекать при проведении отжигов в парах серы.

Результаты исследования процессов ГВЗ в системе сера - арсенид индия и электрических характеристик гетероструктур In2S3-InAs приведены в пятой главе диссертации. При Т„ ~ 470 К и давлении паров серы в КЗО ~ 1 Па на поверхности InAs образуются монокристаллические слои, по данным РСМА и электронографии "на отражение", отвечающие кристаллической р-модификации I112S3. Электрические характеристики полученного таким способом слоя ImS3 на поверхности InAs n-типа в большей степени, чем 1пгТез и In2xGa2(i-x)Te3 (х ~ 0,65), удовлетворяли требованиям к подза-творным слоям П' в полевых гетеросгруктурах. Имели большее удельное ■ сопротивление и большую термическую ширину запрещенной зоны (около 2 эВ). Последнее было установлено из анализа температурных зависимостей тока, измеренных для гетероструктур AMmSs-InAs (п+-типа) при варьировании величины внешнего электрического поля. Было показано, что принимаемый за соответствующий термической ширине запрещенной зоны в массивных кристаллических образцах I112S3 наклон зависимости /п! от Т1, отвечающий энергии ~ 0,45 эВ, на самом деле зависит от величины внешнего электрического поля. То есть, как и в теллуридах, наклон на зависимостях /п1 от Т"1 вблизи комнатных температур соответствует глубокому центру с энергией активации ~ 0,9 эВ. Только при более высоких температурах появляется наклон, отвечающий термической ширине запрещенной зоны материала слоя. Таким образом, отмечаемое ранее несоответствие термической и оптической ширины запрещенной зоны в ImS3 (~ I эВ и ~ 2 эВ, соответственно), в действительности указывает на существование в этом материале глубокого ЦЛЗ с энергетическим положением вблизи середины запрещенной зоны. Этот факт соответствует приведенным выше результатам о параметрах ЦЛЗ в других исследуемых в данной работе соединениях А2шВзУ1 (Ga2Se3,1гиТез, Ii^GaKi-x/Tej (х ~ 0,65)). На температурных

зависимостях дифференциальной проводимости (От(Т) гетероструктур А/-1пг5з-1пА5 (п-типа) существует только один максимум при Т > 300 К, отвечающий ЦЛЗ с энергией активации ~ 0,9 эВ. Отсутствие максимумов при Т < 300 К свидетельствует о низких значениях концентрации ЦЛЗ с меньшими энергиями активации и, поскольку структурное совершенство получаемых методом ГВЗ слоев ШгБз очень высоко, является косвенным доказательством связи этих ЦЛЗ с дефектами структуры. Эта связь уже отмечалась при исследовании ЦЛЗ в напыленных и полученных методом ГВЗ пленках теллуридов. Более высокое структурное совершенство слоев, получаемых методов ГВЗ по сравнению с методом напыления в КЗО, следовало из исследования этих гетеропереходов в просвечивающем электронном микроскопе. Из анализа электронограмм, полученных в режимё микродифракции от участка образца, содержащего пленку и подложку, установлено присутствие в пленке переходной области, ориентация которой не совпадает с ориентацией подложки и верхней части слоя. Например, на ГпАв (111) эта переходная область в слое Ь^Бз ориентирована в направлении [211]. При этом, получаемое из анализа электронограммы взаимное расположение узлов обратной решетки ¡З-ГпгБз в сечении (211) говорит о присутствии двух одинаковых плоскостей (211), развернутых друг относительно друга таким образом, что направление [110] одной из них совпадает с направлением [110] плоскости (111) [}- 1пг5з, наблюдаемой на той же электронограм-ме, а для другой развернуто на угол 90°. Подобная ситуация отмечалась выше и в гетероструктурах с тонкими пленками теллуридов индия - галлия.

Переходные области в гетероструктурах А2шВзу|, сформированных методом ГВЗ, проявлялись при исследовании элементного состава в процессе послойного стравливания или по клину травления в образце. Для определения размеров этих переходных областей и их электрических параметров, необходимых при оценке возможности реализации полевых гетероструктур на основе этих гетеропереходов, обоснована методика, базирующаяся на анализе вольт-фарадных характеристик гетероструктур типа МДП'П. При этом слой 1Г моделирует переходную область, а слой Д - область однородной по составу части слоя полупроводника АгшВзУ1. Методика применена к гетеросгруктурам АМпгБз^пАз, сформированным методом ГВЗ. Определены толщины переходных областей и значения концентрации свободных носителей заряда в них. Последующая коррекция техно-

логических параметров процесса ГВЗ в системе сера - арсенид индия, позволила оптимизировать условия получения слоев ImS3 с целью формирования гетероструктур с минимальными размерами переходных областей.

В настоящее время самым изученным из полупроводников AIUBV является арсенид галлия. Для этого материала известны параметры ЦЛЗ, связанных как с собственными дефектами, так и с наиболее распространенными примесями. Именно на основе системы GaAs-A/GaAs построены приборы с двумерным электронным газом в пограничной области. Предложены способы снижения плотности ПЭС в гетеросгруктурах на основе GaAs. Наиболее эффективным из них оказался способ, в основе которого лежит обработка поверхности GaAs в халькогенсодержащих средах. Подобная обработка поверхности подложки происходила всякий раз при получении слоя халькогенида АгшВзУ1 как напылением из независимых источников, так и методом ГВЗ.

С целью выяснения роли такой обработки в формировании ПЭС на подложках из АШВУ, в шестой главе диссертации представлены результаты исследования поверхности GaAs до и после обработки ее в парах различных халькогенов. Эта работа проводилась еще и в связи с интересом к проблеме природы ПЭС в материалах AmBv. Исследовались структура поверхности в просвечивающем электронном микроскопе и электрические характеристики в диодах с барьером Шоттки. Арсенид галлия был выбран на этом этапе исследований как наиболее изученный из материалов АШВУ.

После обработки поверхности GaAs (100) в парах серы, селена или теллура наблюдается открепление уровня Ферми на поверхности, величина барьера Шотпси Me-GaAs приближается к теоретическому значению, даваемому законом Шоттки-Мотта, в спектрах ИССГУ исчезает максимум, отвечающий ПЭС. На электронограммах, полученных в режиме микродифракции для образцов, обработанных в халькогене, в отличие от не обработанного GaAs, появляется серия рефлексов, объединяемая в систему, соответствующую соединению Аг1ПВзУ1 в неполярной кристаллографической ориентации [ПО]. Характерно, во-первых, что эта система присутствует на электронограммах независимо от использованного для обработки халькогена, во-вторых, параметр кубической решетки, отвечающей этой системе рефлексов, соответствует значению а0 для GaAs. То есть, в результате кратковременной обработки в парах халькогена, на поверхности арсе-

нида галлня образуется псевдоморфный, туннельно-прозрачный слой халь-когенида. Последнее обстоятельство следует из анализа ВАХ диодов с барьером Шоттки на основе обработанного в халькогене арсенида галлия.

В настоящее время факт реконструкции поверхности СэАб в процессе обработки ее халькогеном из полярной (100) в неполярную, близкую к (110), отмеченный в данной работе на основании результатов просвечивающей электронной микроскопии, установлен многими авторами из исследования поверхности СаАэ в сканирующем туннельном микроскопе.

В данной работе предлагается объяснение снижения плотности ПЭС в гетероструктурах на основе арсенида галлия, прошедшего обработку в халькогене, переходом ПЭС из запрещенной зоны в разрешенные подобно тому, как это происходит на атомарно-чисгой поверхности СаАэ. Подобный механизм может иметь место и в гетеросистемах на основе других полупроводников АШВУ. То есть, дальнейшая оптимизация технологии ГВЗ должна проводиться не только для достижения минимальных размеров переходных областей, но и формирования слоев АгИ1ВзУ1 на поверхности АШВУ со строго определенной кристаллографической ориентацией: вероятно, [110] на подложке (100) и [211] на подложке (111). Последнее отчетливо проявляется в гетероструктурах на основе ГпАб (111) с тонкими слоями 1п2хСа2(1-*)Тез (х ~ 0,65), полученными напылением и ГпгЭз, полученными ГВЗ.

Наиболее обоснованной моделью ЦЛЗ в полупроводниках АШВУ и на их поверхности является обобщенная модель Спайсера, основанная на представлениях о собственных точечных дефектах структуры, используемых также для объяснения ПЭС на полупроводниках АШВУ и, соответственно, фиксирования уровня Ферми на поверхности. Эти механизмы, безусловно, играют существенную роль в формировании ПЭС на арсениде галлия, но, с учетом результатов данной работы, это происходит не через структурные дефекты, непосредственно формируемые на поверхности, а через дефехты, выходящие на поверхность из объема полупроводника (из приповерхностной области). Роль этого механизма отчетливо прослеживается в зависимости величины барьера Шоггки контактов АЛСаАв и Аи-СаАв от используемого для обработки поверхности ОэАб халькогена: экспериментальные значения высоты барьера Шоггки изменяются в зависимости от величины постоянной кристаллической решетки промежуточного

слоя А21пВзу1 и достигают максимального значения с контактом из золота и минимального с контактом из алюминия при совпадении значения а0 для подслоя А21пВзУ1 с постоянной решетки СаАв. Это достигалось в результате совместной обработай поверхности ваА» в парах селена и теллура, приводящей к формированию твердого раствора СагВезхТезо-х).

Кроме обсуждения результатов в последнем разделе диссертации отмечается, что система туннельно-прозрачный псевдоморфный слой на поверхности арсенида галлия (или, в принципе, на поверхности полупроводника А11|ВУ), полученная кратковременной обработкой ОаАв (АШВУ) в парах халькогена, может являться основой для формирования сверхрешеток в системе АШВУ - А:г1ПВзУ1 с низкой плотностью ЦЛЗ на границах раздела. При этом, в зависимости от используемого в процессе отжига АШВУ халькогена, можно варьировать величину разрыва в энергетических характеристиках разрешенных зон гетероконтакта (или градиент варизонносги) и, соответственно, параметры сверхрешетки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Последовательный учет в моделях МП'ДП - и МДП'П - структур ЦЛЗ в слоях и на границах раздела систем и КРП МП' позволил объяснить электростатические характеристики гетероструктур на основе с тонкими полупроводниковыми слоями 2пР2, СёРг, СагБз, ОазБез. Показано, что за счет КРП МП', П'П, а также ЦЛЗ на границе П'Д или на границах кристаллитов в поликристаллическом образце, может происходить конверсия типа проводимости тонкого слоя П' в гетероструктуре, по сравнению с объемным кристаллом из того же материала. При линейных размерах кристаллитов в поликристаллическом образце менее ЗЬо, ЦЛЗ на границах зерен проявляются аналогично случаю полупроводника с однородно распределенными ЦЛЗ.

2. С целью формирования тонких слоев сильно диссоциирующих полупроводниковых соединений с инконгруэнтным характером испарения, разработан способ, основанный на соиспарении элементарных компонентов соединения в КЗО из независимых источников. Получены монокристаллические пленки вагБез и СаАз на 81. В последнем случае в качестве буферного слоя использован твердый раствор в системе СагБез - СаАв.

Этим же способом сформированы монокристаллические пленки 1пгТез и 1п2*Са2(1-х)Тез на арсениде индия.

3. Установлена связь ПЭС в верхней половине запрещенной зоны кремния на границах раздела СагБез-Б! и 5102-81 с высокотемпературной обработкой 51 при Тп ~ 1070 К, соответствующей температуре подложки, достигаемой в процессе обработки ее перед осаждением слоя СагЗез. Предложен механизм образования этих ПЭС, основанный на представлениях о формировании комплексов с килородом, подобных рассматриваемым в модели "новых доноров" в кремнии. Показано, что эти ПЭС исчезают после ИФО. Этот процесс объясняется коалесценцией отдельных комплексов БЮт у поверхности в пограничную фазу БЮ*. Электронные состояния в нижней половине запрещенной зоны на границе раздела Саг5ез-51, хорошо описываются в рамках модели флуктуационных ПЭС.

4. Метод ГВЗ использован для получения тонких монокристаллических слоев ГпгТез и 1п28з на поверхности арсенида индия. Из исследования ГВЗ в системе теллур - арсенид индия выделено три возможных механизма образования слоя теллурида индия в этой системе. Показано, что совпадение температурных интервалов действия хотя бы двух из них, приводит к высокой плотности макроскопических дефектов структуры в пограничной области гетеросистемы. Противодавление мышьяка обеспечивает в системе теллур-арсенид индия превалирование одного из механизмов ГВЗ и формирование структурно совершенной границы раздела ГтТез-ГпАБ.

5. Токопрохождение в исследуемых слоях А2шВзу| (вагБез, 1пгТез, 1п2хСа2(!-х)Тез, х ~ 0,65) контролируется двумя типами глубоких уровней. В случае теллуридов концентрация ЦЛЗ донорного типа, с энергией вблизи середины запрещенной зоны, не зависела от структурного совершенства слоя и составляла ~ 5-Ю15 см 3. Менее глубокий уровень (ДЕ ~ 0,36 эВ), выполняющий роль ловушечного при протекании в структурах токов, ограниченных пространственным зарядом, имел сечение захвата, характерное для нейтральной ловушки (~ 1015 см2) и концентрацию в пределах от 4-Ю15 см 3 в текстурированных пленках до ~ 10м см3 в монокристаллических, полученных ГВЗ. В слоях 1пгТез, полученных ГВЗ, проявлялся только глубокий уровень с донорными свойствами и энергией активации также вблизи середины запрещенной зоны материала.

6. Методом РСМА по клину травления установлено присутствие переходной области между формируемым ГВЗ слоем АгшВзу1 и арсенидом индия. В дополнение к подобным исследованиям разработана методика оценки электрических параметров переходной области (ГГ) в гетерострук-турах из сопоставления экспериментальных С-V характеристик с теоретическими, рассчитанными в рамках модели МДП'П структуры (здесь Д - однородная по толщине часть слоя АгшВзУ1). С использованием предложенной методики проведена оптимизация технологических условий формирования системы Хп^з-ГпАя с целью снижения размеров переходных областей (до значений менее 3 нм). Из исследования в просвечивающем электронном микроскопе установлено присутствие в этой переходной области участков пленки ¡пгБз, ориентированных не в направлении [111], как подложка 1пАв и внешняя часть слоя, а в направлении [211].

7. По зависимости контактной разности потенциалов между поверхностью слоя теялурида на 1пАв и электродом из от толщины слоя теялу-рвда, установлен факт открепления уровня Ферми на поверхности ШАб п-типа, покрытой напыленной в КЗО пленкой ¡шЭз или 1п^Оа2(|-*)Тез (х ~ 0,65). Модуляция приграничной ОПЗ в арсеяиде индия внешним электрическим полем наблюдалась в однослойных системах А/- 1п25з-1пАз, полученных ГВЗ и в двухслойных А/-А/гОз-1п2Тез (^ваго-х/Тез, х ~ 0,65)-1пАб. Регистрация изменения состояния ОПЗ в ¡пАэ при варьировании внешнего приложенного к однослойной структуре А/- 1пгТез (1п2*Оа2(1-*/Гез, х ~ 0,65)-1пАб оказалась невозможной из-за высокого уровня сквозных токов утечки в этом случае.

8. Исследованиями в просвечивающем электронном микроскопе поверхности ваАв после обработки ее в парах серы, селена и теллура показано, что на полярной поверхности (100) образуется слой халькогенида СагВз^ в неполярной кристаллографической ориентации [110]. После таких обработок в спектрах ИССГУ отсутствует пик, ответственный за ПЭС на арсениде галлия. Предложен механизм снижения плотности ПЭС на ОаАв (100), основанный на реконструкции поверхности арсенида галлия в процессе обработки ее в парах халькогена и образовании псевдоморфного слоя соединения А2шВзУ1.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность коллективу кафедры физики Воронежской государственной технологической академии, ранее возглавляемому моим научным консультантом, профессором Сысоевым Борисом Ивановичем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ровинский А.П., Безрядин H.H., Сыноров В.Ф. Влияние локализованных зарядов на фотоемкостной эффект в структурах типа МДП с полупроводниковыми подзатворными слоями // VI Всесоюзное совещание по физике поверхностных явлений в полупроводниках. Тез. докл. Киев: Нау-кова думка, 1977, часть 2, с. 94 - 96.

2. Сыноров В.Ф., Безрядин H.H., Ровинский А.П., Сысоев Б.И. О релаксации фототока в монокристаллах CdGa2Se4 // ФТП, 1977, т. 11, № 7, с. 1439.

3. Сысоев Б.И., Ровинский А.П., Сыноров В.Ф., Безрядин H.H. Особенности вольт-фарадных характеристик МДП - структур с полупроводниковыми подзатворными слоями // Микроэлектроника, 1978, т. 7, № 2, с. 163-167.

4. Сыноров В.Ф., Безрядин H.H., Ровинский А.П., Сысоев Б.И. Энергетический спектр центров прилипания в монокристаллах СсЮагЭе» // Изв. вузов СССР. Физика, 1978, № 4, с. 127 - 130.

5. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Сыноров В.Ф. О влиянии фиксированного

заряда в диэлектрике на вольт-фарадные характеристики МП'ДП структур // Микроэлектроника, 1980, т. 9, № 2, с. 121 - 125.

6. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Сыноров В.Ф., Мартынова H.A. Влияние пограничных состояний на электростатические характеристики МП'ДП -структур // Микроэлектроника, 1980, т. 9, № 4) с. 355 - 361.

7. Сыноров В.Ф., Безрядин H.H., Сысоев Б.И., Мартынова H.A. Влияние локализованных состояний в полупроводниковом слое критической толщины на электрофизические свойства тонкопленочных структур МП'ДП // Изв. вузов. Физика, 1981, № 1, с. 82 - 87.

8. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Сыноров В.Ф. Экранирование электрического поля в многослойном полупроводнике // ФТП, 1981, т. 15, в. 8, с. 1523- 1527.

9. Дронов A.C., Безрядин H.H., Моргунов В.Н., Мамлин А.Г. Свойства ге-тероконтакта металл-тонкий слой дифосфида цинка в структурах на основе кремния // Новые материалы электронной техники: Сборник научн. трудов. - Воронеж: ВПИ, 1983, с. 66 - 70.

10. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Дронов A.C., Ровинский А.П. О пассивации поверхности полупроводниковых элементов слоем широкозонного полупроводника // Микроэлектроника, 1985, т. 14, № 2, с. 140 - 143.

11. Безрядин H.H., Сыноров Ю.В., Дронов A.C., Федоров М.В. Экранирование электрического поля в системе МДП'П с центрами локализации заряда II Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем : Материалы III Всесоюзного научно-технического семинара. - Рязань, 1985, с. 162 - 165.

12. Безрядин H.H., Дронов A.C., Сыноров Ю.В., Шевелева Г.М. Получение тонких слоев селенида галлия на кремнии // Полупроводниковая электроника : Межвуз. сб. научн. трудов. - Воронеж: ВГПИ, 1985, с. 20 - 25.

13. Sysoev B.I., Bezryadin N.N., Synorov Yu.V., Agapov B.L. Investigation of Gallium Selenide Films, Grown by the Hot Wall Metod, on Silicon Substrates I/ Phys. Stat. Sol. (a), 1986, v. 94, p. K129 - K132.

14. Sysoev B.I., Bezryadin N.N., Shlyk Yu.K. Electrophysical Properties of 1пгТез - InAs Heterojunction // Phys. Stat. Sol. (a), 1986, v. 95, K169 - K173.

15. Агапов Б.Л., Безрядин H.H., Моргунов В.Н., Шлык Ю.К. Исследование состава и электрических свойств тонких слоев теллурида индия на ар-сениде индия // Свойства нитевидных кристаллов и тонких пленок. Межвуз. сб. научн. трудов. - Воронеж: ВПИ, 1986, с. 86 - 93.

16. Сысоев Б.И., Сыноров Ю.В., Безрядин H.H. Релаксация заряда в гете-роструктурах на основе системы ZnP2-Si И Материаловедение полупроводниковых соединений группы A"BV: Тез. докл. - Воронеж, 1987, с. 91.

. 17. Моргунов В.Н., Сысоев Б.И., Безрядин H.H. и др. Электронные процессы на границе раздела кремний - полуизолирующий слой селенида галлия II32 Intern. Wiss. Koll.- Т.Н. Ilmenau, DDR, 1987, p. 15.

18. Моргунов В.Н., Безрядин H.H., Сыноров Ю.В., Кузьменко Т.А. Электронные состояния на границе раздела селенид галлия - кремний // Структура и свойства внутренних границ раздела в металлах и полупроводниках: Сб. научн. трудов. - Воронеж: ВПИ, 1988, с. 41 - 46.

19. Postnikov V.S., Sysoev B.I., Budanov A.Y., Bezryadin N.N., Shlyk Yu.K., Agapov B.L. Heterostructures on the Basis of Indium Arsenide with Semi-Insulating AinlB3VI Compound Layers // Phys. Stat. Sol. (a), 1988, v. 109, p. 463-467.

20. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Буданов А.В., Шлык Ю.К. Получение пленок соединений А2шВзУ1 на поверхности арсенида индия // Рост кристаллов из газовой фазы и твердофазные превращения: Тез. докл. VII Всесоюзн. конференции по росту кристаллов. - Москва, 1988, т. 1, с. 334-335.

21. Агапов Б.Л., Безрядин Н.Н., Фетисова С.В., Шевелева Г.М., Дронов А.С. Количественный рентгеновский микроанализ тонких полупроводниковых и диэлектрических слоев // Полупроводниковая электроника: Межвуз. сборник. - Воронеж: ВГПИ, 1989, с. 37 - 42.

22. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Буданов А.В., Шлык Ю.К. Получение и электрические характеристики гетероперехода ImS3 - InAs // Микроэлектроника, 1990, т. 19, в. 6, с. 591 - 594.

23. Agapov B.L., Bezryadin N.N., Budanov A.V. et al. Laser-Stimulated Formation of Heavily-Doped Regions on InAs Surface of AmBVI - AlIIBv Heterostructures // Optical and Acoustical Review, 1990, v.l, № 2, p. 197201.

24. Дронов A.C., Безрядин H.H., Буданов A.B., Прокопова Т.В. Переходные слои в гетеросистеме IniSj - InAs II Физические основы микроэлектронных приборов: Межвуз. сборник. - Москва: МИЭТ, 1990, с. 40 - 50.

25. Безрядин Н.Н., Дронов А.С., Клейменов С.А., Лихолет А.Н. Расчет параметров переходных слоев переменного состава в полупроводниковых гетероструктурах // Всесоюзн. конф. по физич. процессам в полупроводниковых гетероструктурах: Тез. докл.-Калуга, 1990, т. 1, с. 130-131.

26. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Буданов А.В, Прокопова Т.В. Физические процессы в гетероструктуре ImSs - InAs I/ XII Всесоюз. конф. по физике полупроводников: Тез. докл. - Киев, 1990, с. 230 - 231.

27. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Буданов А.В., Прокопова Т.В., Шлык Ю.К. Кристаллохимические особенности получения и электронные

процессы в твердотельных гетероструктурах на основе арсенида индия // 35 Intern. Wiss. Koll. - Т.Н. Ilmenau, DDR, 1990, p. 15 -16.

28. Sysoev B.I., Beziyadin N.N., Budanov A.V. et al. Electron Process in the Solid State Heterostructures on the Basis of Indium Arsenide // Phys. Stat. Sol. (a), 1991, v. 124, p. 177-181.

29. Сысоев Б.И., Агапов Б.Л., Безрядин H.H., Буданов А.В. и др. Свойства границы раздела InAs- тонкий полуизолирующий слой ImSa II ФТП, 1991, т. 25, №4, с. 699-703.

30. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Сыноров Ю.В.и др. Экранирование радиа ционных воздействий слоем GazSej в структурах на основе SiOi-Si // Физика окисных пленок: Тез. докл. III Всесоюзн. конф. - Петрозаводск, 1991, часть II, с. 88.

31. Агапов Б.Л., Безрядин Н.Н., Моргунов В.Н., Сыноров Ю.В., Фетисова С.В., Лавров П.В. Исследование профиля распределения основных компонентов соединений в полупроводниковых гетероструктурах методом рентгеноструктурного микроанализа II Физико-химические аспекты технологии микро- и оптоэлектроники: Межвуз. сб. - Воронеж: ВПИ, 1991, с. 97-103.

32. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Сыноров Ю.В., Агапов Б.Л., Кузьменко Т.А. Получение и структура пленок селенида галлия на кремнии II Изв. АН СССР, сер. Неорг. материалы, 1991, т. 27, № 3, с. 470 - 473.

33. Сысоев Б.И., Безрядин Н.Н., Сыноров Ю.В., Кузьменко Т.А. Получение слоев арсенида галлия на кремнии в квазизамкнутом объеме // Электронная техника. Сер. Материалы. 1991, в. 3 (257), с. 22 - 24.

34. Sysoev B.I., Bezryadin N.N., Budanov. A.V., Kotov G.I., Chursina E.I. Formation of Heavily Doped Regions at Laser Treatment of Heterojunction AniBv - A2niB3VI // Book of Sum.: Int. Conf. on Advanced and Laser Technologes (ALT- 92), Moscow, 1992, part 4, p. 121-122.

35. Безрядин H.H., Дронов A.C., Капустин Ю.А., Кузьменко Т.А., Сысоев Б.И. Термодефекты в приповерхностной области кремния в гетероструктурах со слоями термической двуокиси кремния и селенида галлия

// Первая национальная конференция "Дефекты в полупроводниках". Тез. докл. - С .-Петербург, 1992, с. 185.

36. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Котов Г.И., Стрыгин В.Д. Влияние обработки поверхности арсенида галлия в парах халькогенов на свойства барьеров Шоттки в структурах Me-GaAs// ФТП,1993,т.27,в.1,с.131-135.

37. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Дронов A.C. и др. Повышение радиационной стойкости МОП-систем II Электронная промышленность, 1994, № 4 - 5, с. 35-37.

38. Агапов Б.Л., Безрядин H.H., Прокопова Т.В. Гетеровалентное замещение в процессах получения полупроводниковых гетеропереходов AmBv - А2шВзУ1 // IX Всероссийский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Тезисы докл. - Черноголовка, 1995, с. 37.

39. Безрядин H.H., Буданов A.B., Прокопова Т.В., Сумец М.П., Шлык Ю.К. Параметры центров локализации заряда и их релаксационные характеристики в тонких слоях теллуридов индия и галлия // Релаксационные явления в твердых телах. Тез. докл. международного семинара. -Воронеж, 1995, с. 68.

40. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Буданов A.B., Прокопова Т.В., Агапов Б.Л. Структура слоев сульфида индия на поверхности InAs // Неорганические материалы, 1995, т. 31, № 7, с. 891- 895.

41. Безрядин H.H., Буданов A.B., Котов Г.И., Агапов Б.Л., Сумец М.П., Костенко Л.В. Реконструирование межфазной границы раздела в гете-росистемах арсенид галлия- халькогенид галлия II Релаксационные явления в твердых телах. Тез. докл. международн. семинара. - Воронеж, 1995, с. 68.

42. Сысоев Б.И., Безрядин H.H., Котов Г.И., Агапов Б.Л., Стрыгин В.Д. Пассивация поверхности GaAs (100) халькогенидами галлия АгшВзУ1 (110) IIФТП, 1995, т. 29, в. 1, с. 24 - 32.

<ii &

J /1

OP

Воронежская государственная технологическая академия

На правах рукописи

БЕЗРЯДИН Николай Николаевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ И КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С ТОНКИМИ СЛОЯМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СО СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИМИ

ВАКАНСИЯМИ

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант -доктор физико-математических

наук, профессор Сысоев Б.И.

Воронеж -1997

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................7

ГЛАВА 1. Электронные процессы в гетероструктурах на основе кремния и системы 8102-81 с тонкими слоями широ-зонных полупроводников......................................................................................18

1.1. Выбор материалов для слоев ГГ, приготовление образцов, экспериментальная техника и некоторые электрические характеристики исследуемых полупроводниковых соединений...........................................................18

1.2. Электростатические характеристики МП'П и МП'ДП структур на основе кремния..................................................................................26

1.2.1. МП'П структуры на кремнии со слоями Znp2

и СёР2..............................................................................................................................26

1.2.2. Влияние фиксированного заряда в диэлектрике на электростатические характеристики МП'ДП структур........................................:............................................29

1.2.3. Влияние локализованных зарядов в полупроводниковом слое и на границе П'Д на электростатические характеристики МП'ДП систем................. 35

1.2.4. Оптическое управление состоянием ОПЗ полупроводника П в МП'ДП структуре...................... 42

1.2.5. Экранирование электрического поля в многослойном полупроводнике с ЦЛЗ между слоями .... 43

1.2.6. Влияние контактной разности потенциалов металл- полупроводник ограниченной толщины на электростатические характеристики МП'ДП-структур........................................................................45

1.2.7. Экранирование электрического поля в системе МДП'П. Защита поверхности полупроводника

от внешних электрических полей........................... 47

1.3. Неравновесные вольт-фарадные характеристики полевых гетероструктур с тонкими слоями П'

на основе кремния...............................................................................55

1.3.1. Неравновесные С-У характеристики структур типа МП'ДП............................................................................................55

1.3.2. Исследование ЦЛЗ в слое ГГ в МДП'П

структуре.............................................................................................61

1.4. Особенности экранирования электрического поля в полевых гетероструктурах с тонкими поликристаллическими слоями ZnP2 и ОагЗез................................................65

Выводы..............................................................................................................................................67

ГЛАВА 2. Формирование гетероперехода Са28ез-81 и электронные явления в структурах типа МДП на его основе .. 69

2.1. Исследование условий получения слоев СагВез на

кремниевых подложках ....................................................69

2.1.1.Получение пленок селенида галлия термическим испарением в открытом объеме................................69

2.1.2. Исследование состава тонких пленок СагЗез

на кремнии.............................................................. 71

2.1.3. Формирование тонких пленок ОагБез на кремнии в квазизамкнутом объеме методом "горячей

стенки".................................................................... 75

2.2. Электронные явления в гетероструктуре на основе гетероперехода СагБез-Бк полученного методом "горячей стенки"....................................................................................................................78

2.2.1 .Высокочастотные вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики гетероструктуры АШагБез-Б!............................................................. 78

2.2.2. Внутренняя фотоэмиссия в гетеропереходе

ОагЗез-^..............................................................................................................................83

2.2.3. Электронные состояния на поверхности

кремния в гетероструктуре A/-Ga2Se3-Si........................89

2.3. МП'П системы на основе гетероперехода селенид галлия - кремний, полученного в КЗО с предварительной обработкой по верхности кремния в парах селена или в потоке атомов галлия....................................92

2.3.1. Модифицированный метод КЗО: получение пленок полупроводниковых соединений из независимых источников элементарных компонентов ........................................................................92

2.3.2. Особенности электронных процессов на границе раздела Ga2Se3-Si, сформированной в КЗО с предварительной обработкой Si-под-ложки в потоке атомов Ga или в парах селена ....................................................................................................................100

2.3.3. Об устойчивости полевых гетероструктур на основе кремния к радиационным воздействиям .....................................................................113

2.4. Использование слоев селенида галлия и твердых растворов в системе GaAs-GaiSe:, в качестве согласующих при выращивании арсенида галлия на кремнии........................................................................................................118

Выводы............................................................................................................................................................124

ГЛАВА 3. Формирование гетеропереходов на основе арсенида индия с тонкими слоями теллуридов индия и галлия..................................................................................125

3.1. Подготовка подложек InAs и исследование условий получения слоев 1пгТез напылением в квазизамкнутом объеме.................................................................125

3.2. Гетеровалентное замещение в системе теляурид-

арсенид индия......................................................................................................................131

3.2.1. Выбор технологических условий получения слоев 1п2Тез в процессе термического отжига

InAs в парах теллура............................................... 131

3.2.2. Механизм гетеровалентного замещения в системе теллур - арсенид индия.................................. 138

3.3. Получение пленок 1пгТез в K3Ö методом испарения из независимых источников индия и теллура ..................................................................................... 153

3.4. Получение пленок твердых растворов в системе ОагТезЛтТез соиспарением индия и галлия в

атмосфере пара теллура в КЗО....................................... 156

Выводы............................................................................ 165

ГЛАВА 4. Электрические характеристики гетероструктур на

основе арсенида индия со слоями теллуридов индия и твердого раствора Iii2xGa2(i-X)Te3 (х ~ 0,65).................. 167

4.1. Механизмы токопрохождения в гетероструктурах AZ-ImTes-lnAs и A/-In2xGa2(i-х>Тез (х ~ 0,65)- InAs....... 167

4.2. Вольт-фарадные характеристики гетероструктур A/-In2Te3(In2xGa2(i-x)Te3, х ~ 0,65) - InAs............*............ 175

4.3. Центры локализации заряда в слоях 1тТез и 1п2хОа2(1-х)Тез (х ~ 0,65) в гетероструктурах на основе арсенида индия........................................................... 180

4.4. Управление зарядовым состоянием приповерхностной области InAs в гетероструктурах с тонкими

слоями 1тТез и 1п2хСа2(1-х)Тез (х - 0,65)...................... 188

Выводы................................................................................. 193

ГЛАВА 5. Полевые структуры на основе гетероперехода

I112S3 - InAs.............................................................. 195

5.1. Гетеровалентное замещение в системе сера -

арсенид индия............................................................. 195

5.2. Электрические характеристики гетероструктур

A/-In2S3-InAs............................................................... 207

5.2.1. Механизм токопрохождения в слоях 1112S3, сформированых методом ГВЗ на поверхности арсенида индия................................................... 207

5.2.2. Экранирование электрического поля в гетерост-руктуре AZ-ImSs-InAs и определение параметров переходной области между I112S3 и InAs.............. 212

5.3. Лазерностимулированное формирование сильнолегированных приповерхностных областей в подложках AmBv в полевых гетероструктурах на основе систем А2шВзУ1 - AnIBv..................................................... 220

Выводы.................................................................................. 222

ГЛАВА 6. Об образовании электронных состояний на поверхности арсенида галлия, обработанной в парах халь-когенов.......................................................................... 223

6.1. Электронные состояния на поверхности арсенида

галлия.............................................................................. 223

6.2. Особенности структуры поверхности арсенида галлия, обработанной в парах халькогенов............................... 228

6.3. Влияние обработки поверхности арсенида галлия в различных халькогенах (S, Se, Те, Se + Те) на характеристики барьеров Шоттки Me-GaAs............................ 236

Выводы..........................................................................................243

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ....................................................................................244

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................................................261

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................265

ВВЕДЕНИЕ

Успехи современной микроэлектроники во многом обусловлены использованием в качестве элементов интегральных схем (ИС) слоистых структур на базе системы диэлектрик-полупроводник (ДП) [1 - 3]. В основу работы этих элементов положен принцип управления зарядовым состоянием приповерхностной области монокристаллического полупроводника внешним электрическим полем (полевые гетероструктуры). Эта особенность данного класса приборов определяет совокупность требований к электрическим характеристикам приповерхностной области полупроводника, слоев системы и межфазных границ раздела [3 - 6 ]. Одним из основных является требование о низкой плотности центров локализации заряда (ЦЛЗ) [4-9]. Проблема снижения плотности ЦЛЗ в полевых гетерострукту-рах решается как путем совершенствования технологических приемов и разработки новых способов формирования известных типов гетерострук-тур [10,11], так и использованием в гетероструктурах новых мatepиaлoв [5,10-13].

Полевые приборы со структурой метал л-ДП (МДП) на основе системы термическая двуокись кремния-кремний (БЮг-ЗО обладают рядом недостатков, в частности, низким быстродействием [1,5-10]. Ограничение быстродействия кремниевых полевых транзисторов, связанное с низкой подвижностью носителей заряда у поверхности, является следствием их сильного рассеяния на геометрических и потенциальных неоднородностях границы раздела 5102-81 [6,7,14]. В связи с широко развитой в настоящее время технологией производства кремниевых интегральных схем, представляет интерес поиск материала, который образует с кремнием гетеропереход с более совершенной границей раздела и может использоваться в качестве подзатворного слоя в полевых приборах типа МДП.

Повышение быстродействия полевых приборов может быть достигну-

то заменой кремния на полупроводник АШВУ (СаАв, 1пР) с большей подвижностью носителей заряда [15-19]. Но традиционный подход в этом направлении, основанный на использовании диэлектрических слоев в этих полевых приборах, не приводит к желаемому результату из-за высокой плотности ЦЛЗ на границе раздела Д-АШВУ [16,17].

Значительный успех был достигнут реализацией идеи о формировании полевого прибора на основе гетероперехода А/СаАв-ваАз [20,21]. Однако функциональные возможности такого прибора ограничены, поскольку диапазон изменения состояния приповерхностной области пространственного заряда (ОПЗ), при варьировании внешнего напряжения, не включает все состояния, известные из модели полевого транзистора со структурой МДП и наблюдаемые в транзисторах на основе системы 8Юг -81 [21,22].

В работах [23,24] определены условия, при выполнении которых тонкий слой широкозонного полупроводника (П'), включенный в гетерострук-туру, может выполнять функции диэлектрического в отношении экранирования внешнего электрического поля. В этих же работах впервые были предложены для использования в качестве слоев П' полупроводниковые соединения с рыхлой кристаллической структурой [24,25]. Это соединения со стехиометрическими вакансиями типа А2шВз¥1 [26] и широкозонные полупроводники из класса материалов с общей формулой АпВгу [27,28]. Электрические характеристики этих соединений слабо чувствительны к примесям и радиационным воздействиям [29]; подвижность основных носителей в них в 104 ч-Ю5 раз меньше, чем в 81 и ОаАз; большинство полупроводников А2шВзУ1 кристаллизуются в решетке типа сфалерит [30,31]. Последнее обстоятельство допускает возможность удовлетворить принципам объемного соответствия [32,33] в гетеропереходах типа А2шВзУ1 - 81, А2шВзУ1 - АШВУ и, соответственно, получить границу раздела с низкой плотностью ЦЛЗ.

Изложенное определяет актуальность темы настоящего исследования.

В работе ставилась цель: установление закономерностей формирования гетеропереходов на основе кремния и арсенала индия с тонкими слоями соединений А2шВзУ1 и электронных процессов в полевых гетероструктурах на основе этих гетеропереходов.

Основные задачи вытекают непосредственно из цели работы:

1. Выбор материалов из класса полупроводников А2шВзу1 для формирования гетеропереходов на основе кремния и арсенида индия.

2. Выбор и разработка способов и исследование условий формирования тонких слоев соединений А2шВзУ1 на подложках из кремния и арсенида индия.

3. Развитие модельных представлений об электростатических характеристиках полевых гетероструктур с тонкими слоями широкозонных полупроводников ГГ с учетом ЦЛЗ, существующих в реальных слоистых системах МП/ДП и МДП'П.

4. Изучение электронных явлений в полевых гетероструктурах Ме-А2шВзу1-81 и Ме-А2шВзУ1 - ЫАб.

4.1. Исследование электрических характеристик слоев полупроводников класса А2шВзУ1 на подложках из кремния и арсенида индия.

4.2. Исследование электронных явлений на границах раздела А2шВз¥1-и А2шВзУ1 - ¡пАв.

Объекты и методы исследования. Моделирование электростатических процессов в полупроводниковых гетероструктурах типа МП'П, МП'ДП и МДП'П проведено в слоистых системах на основе кремния с тонкими пленками широкозонных полупроводников классов АПВ2¥ (гпР2, СМРг) и А2шВзУ1 (Оа2$з, Оа28ез). Некоторые эксперименты проведены с пленками СсЮаг8е4 и А$2$ез. Для более подробного изучения была выбрана система Оа28ез-81, поскольку в ней наиболее полно реализуется требование однотипности и соответствия параметров кристаллических решеток контактирующих материалов (рассогласование по -

стоянных решеток менее 0,2 %).

Арсенид индия бьш выбран в качестве основного объекта для исследования гетероструктур на основе полупроводников АШВУ Это обусловлено высокой подвижностью электронов в этом материале, что делает его перспективным для полевых приборов СВЧ электроники. Кроме этого, 1пА8 является значительно менее изученным материалом из класса полупроводников АШВУ по сравнению с СаАБ и 1пР. Из полупроводниковых материалов с общей формулой А2шВзУ1, для гетероструктур на основе ЫАб, были выбраны соединения с наиболее близкими к 1пАб значениями параметров кристаллических решеток: ЫгТез, ОагТез, ЫгВз и твердые растворы в системе 1тТез - Оа2Тез.

Ряд экспериментов по изучению электронных состояний на поверхности полупроводников АШВУ в гетероконтакте с А2шВзУ1 были проведены на арсениде галлия.

При исследовании условий формирования гетеропереходов использовались: электронная Оже-спектроскопия, рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), электронография в отраженных и проходящих лучах, электронная микроскопия в растровом и просвечивающем электронных микроскопах.

Электронные явления изучались с использованием различных модификаций методов вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, метода частотных зависимостей дифференциальной проводимости и емкости в интервале температур 90 К ч-500 К, температурных зависимостей дифференциальной проводимости, серии методов, основанных на температурной стимуляции процессов освобождения ЦЛЗ и метода изотермической сканирующей спектроскопии глубоких уровней (ИССГУ), являющегося разновидностью метода нестационарной спектроскопии грубоких уровней.

Научная новизна полученных в работе результатов определяется тем, что в ней впервые:

• получены гетеропереходы СагБез - 1п2Тез - ШАб, 111283 - 1пАб и 1п2хОа2(1-х>Тез - 1пА5;

• рассмотрены модели электростатических характеристик гетеро-структур с тонкими слоями широкозонных полупроводников ГГ с учетом ЦЛЗ в слоях и на границах раздела слоистой системы;

• разработаны способы получения слоев сильно диссоциирующих соединений с инконгруэнтным характером испарения (типа 1щТез) в квазизамкнутом объеме (КЗО);

• установлены механизмы протекания гетеровалентного замещения в системе халькоген-арсенид индия при формировании слоев халькогенидов 1п2ВзУ1 на подложках из 1пАб;

• для тонких слоев полупроводников А2шВзу1 на 81 и 1пАб установлены:

1) механизмы токопрохождения;

2) параметры ЦЛЗ;

3) связь концентрации ЦЛЗ ловушечного типа со структурным совершенством слоя;

• исследованы электронные процессы на границах раздела ОагБез-З!, А2шВзУ1 - 1пАб;

• установлено образование на поверхности ваАз (100) псевдоморфно-го слоя халькогенида галлия, в неполярной кристаллографической ориентации [110] в результате обработки поверхности арсенида галлия в парах серы, селена или теллура;

• предложено объяснение факта снижения плотности поверхностных электронных состояний на полупроводниках АШВУ1 и соответствующего открепления уровня Ферми, реконструкцией поверхности в процессе обработки ее в парах халькогенов (8, 8е, Те) и образования псевдоморфного слоя халькогени