Электронные состояния в GaAs и в гетероструктурах Ga2Se3/GaAs

Власов, Юрий Николаевич

Электронные состояния в GaAs и в гетероструктурах Ga2Se3/GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Власов, Юрий Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Воронеж МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электронные состояния в GaAs и в гетероструктурах Ga2Se3/GaAs»

Автореферат диссертации на тему "Электронные состояния в GaAs и в гетероструктурах Ga2Se3/GaAs"

005015390

Власов Юрий Николаевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В ваАв И В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Са28ез/СаА5

Специальность 01.04.10 - «физика полупроводников»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 МАР 2612

Воронеж-2012

005015390

Работа выполнена в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

Научный БЕЗРЯДИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Официальные БОРМОНТОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор,

Воронежский государственный университет,

заведующий кафедрой физики полупроводников и

микроэлектроники

РОВИНСКИЙ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,

ОАО Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка, первый заместитель генерального директора

Ведущая Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН,

организация: г. Санкт-Петербург

Зашита состоится 15 марта 2012 г. в 1700 на заседании диссертадиошюго совета Д.212.038.10 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1, ВГУ, физический факультет, ауд.428.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «13» февраля 2012 г.

Ученый секретарь ^ _

диссертационного совета ¡к/^'' " Маршаков Владимир Кириллович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка технологии изготовления новых наноразмергеых полупроводниковых покрьгпш для повышения эффективности элементов солнечной энергетики», государственный контракт № 16.516.11.6084 от 08.07.2011г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка научно-технических основ повышеюи надежности и долговечности светодиодных световых приборов повышенной мощности в результате реализации новых технических решении по охлаждению светодиодов», государственный контракт № 16.516.11.6098 от 08.07.2011г. Работа включена в тематический план ГБ НИР «Физико-химические основы формирования наноразмерных гетерофазных систем в процессе гетероваленгного замещения» (№ roc. per. 1.1.09) и ГБ НИР «Физико-химические процессы в объёме и на границе раздела в неоднородных твёрдотельных системах» (№ гос. per. 01960012699) кафедры физики Воронежской государственной технологической академии.

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

Основные задачи исследования:

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

2. Выбор и оптимизация методик исследования диодов Шотгки с целью корректного определения параметров глубоких уровнен.

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

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

Объекты и методы исследования. Исследовались монокристаллические подложки арсенида галлия электронного типа проводимости марки АГЧ-25а <100> толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <1П> А толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> В толщиной (390 ± 5) мкм, а также подложки «под эпитаксию» исходные и обработанные в парах селена. Концентрата: носителей заряда для различных подложек варьировалась в пределах от Ю|6см'3 до 10 см'3. Структурно-фазовое состояние гетерограницы контролировалось просвечивающим электронным микроскопом типа Н-800. Электрофизические параметры диодов Шотгки изучались методами вольт-амперных характеристик (ВАХ), высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ). Электронные состояния приповерхностной области GaAs изучались методами нестационарной спектроскопии глубоких уровней (ёмкостной вариант НСГУ) и фотолюминесценции.

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

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

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

Практическая значимость. В работе определены причины возникновения ПЭС на реальной окисленной поверхности GaAs и изучен механизм их устранения при отжиге поверхности полупроводника в парах селена Представленные результаты могут быть использованы для получения границ раздела GaAs с малым количеством дефектов. Обработкой в парах селена может бьггь достигнута консервация поверхности арсенида галлия в технологии подготовки пластин not эпитаксию за счет ограничения доступа кислорода к поверхности GaAs, приводящего к нарушению планарной однородности при хранении на воздухе. Исследование поведения системы дефектов GaAs при окислении воздухом, под воздействием химических обработок и в процессе отжига в парах селена приблизило понимание атомной структуры дефектов, обнаруживаемых нестационарной спектроскопией глубоких уровней.

Научные положении, пииоснмые на защиту:

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

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

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

4. В ходе обработки GaAs в парах селена сверхтехиометричный для Ga2Se3 галлий, выделяясь на гетерогршшце, проникает в приповерхностную область кристалла GaAs и перестраивает систему дефектов таким образом, что увеличивается концентрация дефектов перестановки типа G3as. Это проявляется б компенсации приповерхностной области после нескольких последовательных циклов обработок в парах селена и стравливания образующегося слоя селенида.

Лнчный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре физики Воронежского государственного университета инженерных технологий. Постановка задачи и определение направлений исследования осуществлялись д. ф.-м. и., профессором H.H. Безрядиным. Лично автором проведены эксперименты по получению гетероструктур типа диодов Шотгки с контактами из Al и Au на поверхности арсешзда галлия и на обработанной в парах селена поверхности арсенида галлия с наноразмерной плёнкой GajSea; исследованы вольг-амперные, вольт-фарадные характеристики, изотермические релаксации емкости полученных структур; закономерности изменения спектров ПЭС и электронных состояний в области пространственного заряда GaAs в зависимости от изменения состояния поверхности; разработаны модели ПЭС и состояний, обусловленных варьированием ансамбля точечных дефектов в приповерхностной области подложки в процессе обработок в парах селена Обсуждения результатов на протяжении всей работы проведены вместе с д.ф.-м.н., профессором H.H. Безрядиным и к.ф.-м.н., доцентом Г.И. Котовым.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Девятой и Десятой всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлекгронике (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2008г.), XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ'2006» (Черноголовка, 2006г.), IX международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2006 г.), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007г.), V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2010 г.), а также на отчетных XLV, XLVI, XLVII, XLVIII научных конференциях BITA (Воронеж, 2006,2007,200S, 2009 г.).

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

Во второй главе представлены результаты электрофизических исследований диодов Шоттки с контактами из А! и Аи на подложках до и после обработки в парах селена. Слои селенидов получали методом термической обработки подложек GaAs в парах селена в КЗО. Ранее было установлено, что при обработке GaAs (100) и (111) в парах селена, происходит образование псевдоморфной к GaAs плёнки Ga2Se3 с толщиной ~ (3-5) им. Показано также, что плотность ПЭС снижается после обработок в парах селена в течение (1+15) минут при температуре подложки Т„=(300+350)*С и парциальном давлении паров селена (1,33-И,5) Па за счёт реконструирования поверхности GaAs на границе раздела арсенид-селенид. Такие технологические условия использовались в данной работе при изготовлении диодов Шоттки для исследования. Типичные микродафрахционные изображения обработанных поверхностей (100) и (111) GaAs, свидетельствующие о структурном совершенстве поверхности, показаны на рис. 1.

Методами вольт-амперных характеристик (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) установлено открепление уровня Ферми на поверхностях GaAs (100) и (111) в результате обработки к парах селена. Величина высоты потенциального барьера Фб исходных образцов Al/GaAs составляет ~ 0,8 эВ, что соответствует закреплению уровня Ферма у поверхности. Величина Фе диодов Al/Ga2Se3/GaAs, полученных на обработанной в селене поверхности GaAs, составляет ~ 0,5 эВ. Это говорит об уменьшении плотности ПЭС, закреплявших уровень Ферми на необработанной поверхности GaAs. Для образцов Au/Ga3Se3/GaAs открепление уровня Ферми сопровождается увеличением Фг, до предела Шотткн-Мотга в 1,15 зВ по сравнению со структурами Au/GaAs (для которых Ф„ составляет ~ 0,9 эВ).

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

В процессе эксперимента

регистрируются изотермические

релаксации ёмкости как зависимость величины ёмкости диода Шоттки от времени релаксации C(t) при переключении от прямого смещения Vj на исследуемой структуре к обедняющему Vd. В результате одного измерения получается массив данных C(T,t), который записывается в память компьютера в виде отдельного файла (рис. 2).

Обработка результатов измерений производится с помощью специально Рис 2 Изотермическиё релаксации емкости разработанной программы, в которой по диода Шоттки Au/n-GaAs.

методике НСГУ рассчитывается спектр как '

AC(T)/Co=(C(T,t2)-C(T,tl)}/Co, где C(T,tl) и C(T,t2) - значения ёмкости в моменты времени tl и 12 после переключения смещения, а С0 - нормировочная ёмкость диода используется для определения концентрации центров и соответствует приповерхностной области обеднения при напряжении Vd. Варьирование величины интервала стробности (t2-tl) и его начала на релаксационной зависимости (tl) позволяет выделить отдельные пики из группы пиков и оценить соответствующие им энергии ловушек в запрещённой зоне полупроводника.

Т. А'

Рис, 3. Спектры НСГУ диода Шоттки А1/п-ОаАз, полученные для наборов времён: 1) 11 = 20 мс, 12 = 200 мс;

2) П = 40 мс, а = 10 с;

3) И = 80 мс, а = 10 с;

4) П = 200 мс, 12 =10 с.

Для иллюстрации влияния выбора параметров tl и t2 на рис. 3 приведены спектры НСГУ в диапазоне температур около максимума от центра EL6 для разного набора tl и t2. Видно, что исключение начального этапа релаксации (до 200 мс) из расчета спектра позволяет исключить вклад в спектр от максимума EL14 вблизи температуры 120К и выделить максимум EL6 при 150 К.

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

Обозначение Структура Энергия активации, эВ

EL14 VAs(+l/0) 0.21

EL6 VAs- ASi-Voa 0,38

EL3 Vm-ОІ 0.56

EL2 AsG!,(+2/+1) 0,90

Таблица 1. Основные глубокие уровни в п-ОаА5.

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

Для исследования образцы получали по двум методикам подготовки: 1) стандартный процесс химико-динамического полирования и 2) селективное травление, достигаемое смещением состава полирующего травителя в сторону меньшей концентрации Н2СЬ с последующим промыванием в растворе соляной кислоты ШЯмОРЬО. Напыление контактов производилось как на свежеподготовленные подложки, так и на хранившиеся в течение недели на воздухе при нормальных условиях. Кроме того, оба типа образцов подвергались термическому отжигу в парах селена при Т„ = ЗЗО'С в течение 5 минут, после чего напылялись контакты из золота для исследования.

О.ИІ

О.І

0.05

1 ~г 1

. К. г і

с * 'S

EL6 Ii І І* 3

г\ ПЭСі j; EU г

ЕЩ \ L[ CJ \ г

100

300

200 j;k

Рис. 4. Спектры НСГУ диодов Шоггкн Аш'п-GaAs:

1 и 2 - сформированы на свежеподготовленных подложках, полученных полирующим травлением; 3 - сформированы на аналогично травленных подложках после отжига в парах селена, tl = 50 мс, i2 = 550 мс.

0.06і

с:

0.04

002

і і і ' і

/ пэс:\ і 'і \ f • * 1 - / ПЭС4 • \\ .А.

* * — * _ » ' ' EL6 EL2 \ І*

* \

!00

300

200 т, к

Рис. 5. Спектры НСГУ диодов Шоттки Аи/п-ОаАв: а) сформированы на свежеприготовленных подложках, полученных селективным травлением; б) сформированы на аналогично травленых подложках после отжига в парах селена.

Спектры НСГУ диодов Шотгки Au/n-GaAs, представление на рис. 4 (кривые i и 2), сформированы после полирующего травления на свежеприготовленных образцах и содержат типичный набор объемных глубоких уровней GaAs (EL2, EL3, EL5, EL6. EL8). Приведённые спектры получены из кривых релаксации ёмкости, измеренной при Vj = +1 В и различных значениях Vd: 1) -2 В (сплошная линия), 2) -0,4 В (пунктирная линя«). Вблизи глубокого уровня EL3 (250 К) наблюдается несимметричный пик, амплитуда которого мала по сравнению с основными для GaAs глубокими уровнями EL6 (160 К) и EL2 (340К). Характер зависимости амплитуды максимума пика вблизи EL3 от обратного напряжения свидетельствует о том, что он обусловлен распределёнными по энергии в запрещённой зоне полупроводника ПЭС (энергия активации 0,40 - 0,45 эВ). Слева от EL6 на спектре заметен пик. соответствующий уровню EL8 (130К).

Отличительной особенностью спектров диодов Шотпси, сформированных после обработки в парах селена, является значительное уменьшение амплитуды пика вблизи уровни EL3 и относительно небольшое снижение амплитуды остальных пиков (рис. 4, кривая 3, Vj = +1 В, Vd = -2В). То есть наблюдаемое уменьшение амплитуды пика вблизи EL3 обусловлено уменьшением концентрации ПЭС после обработки в парах селена.

На рис. 5 (кривые 1 и 2) приведены спектры диодов Шоттки, полученных после селективного травления на

свежеприготовленных образцах.

Релаксации ёмкости измерены при Vj = + ЗВ (сплошная линия) и V, = + 1 В (пунктирная линия); Vd = -IB. Данные спектры характеризуются наличием широкой полосы сигнала НСГУ от 100 до 250 К, амплитуда которой существенно зависит от заполняющего ловушки прямого смещения на диоде, что свидетельствует о наличии высокой плотности ПЭС. В спектрах диодов Шоттки, сформированных на аналогичных

ti = 50 мс, t2 = 550 мс.

подложках после обработки в парах селена (крюіая 3 на рис. 5, режим измерения: V; = + ЗВ, Vd = - і В), наблюдаются только пики, соответствующие объёмным глубоким уровням EL6 и EL2.

На рис. 6 представлены спектры диодов Шоттки АиМ-ОаАэ, сформированных на подложках после селективного травления и хранения на воздухе. Режимы измерения релаксаций емкости: V, = +1 В, Уй = -0,4В (сплошные линии), = -1 В (пунктирные линии), У<| = -2В (штрих-пунктирные линии).

Рис. 6. Спектры НСГУ диодов Шоттки Au/n-GaAs: а) сформированы на подложках после селективного травления и хранения на воздухе в течение недели; б) сформированы на аналогично подготовленных подложках после отжига в парах селена, tl = 50 мс, t2 - 550 мс.

По сравнению со спектром свежеприготовленных образцов, полученных полирующим травлением (рис. 4), в данных спектрах, отсутствует пик EL8 ниже по температуре от EL6. Вблизи EL3 наблюдаются два пика (ПЭС1 и Г1ЭС2), амплитуда которых сильно зависит от обратного смещения на диоде, что свидетельствует о соответствии этих пиков распределённым у поверхности электронным состояниям. Энергия активации низкотемпературного несимметричного (230 К) пика ПЭС1 составила 0,44 эВ. Отжиг в парах селена приводит к исчезновению описанных выше пиков ПЭС из спектров, однако остается плато справа от EL6 (180-200 К), амплитуда которого зависит от обратного смещения на диоде.

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

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

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

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

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

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

Подобная ситуация наблюдается и для структур Au/Ga2Se3/GaAs( 100). Однако в случае контактов из Au на ВФХ нет излома. Причём наклон в координатах 1/С2 от V соответствует наклону ВФХ диодов Al/Ga2Se3/GaAs в области малых напряжений, то есть соответствует меньшим рассчитанным значениям Nd, чем на ВФХ исходных необработанных в селене структур.

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

уровней до количества, достаточного для компенсации доноров вблизи поверхности, что и | наблюдается на ВФХ в виде излома.

б)

Рис. 7. ВФХ диодных структур: a) AJ/n-GaAs (кривая 1), A!/Ga2Se3/n-GaAss полученных после обработки в парах селена при Т„= 330*С в течение 5 минут (кривая 2) и 15 минут (кривая 3); б) Au/n-GaAs (кривая 1) к Au/Ga2Se3/n-GaAs, полученных после : 1ой (кривая 2), 2ой (кривая 3), Зсй обработки в парах селена (кривая 4).

о-

Междоузельный мышьяк As¡ становится подвижным уже при температуре 220°С, что объясняется в литературе миграцией As¡ в направлении [111] по октаэдрическим каналам, которые ориентированы под углом 45° к плоскости (100) и параллельны плоскости (111). В | этой связи можно объяснить различия в ВФХ между диодными структурами на основе Ga2Se3/GaAs(100) и Ga2Se3/GaAs(l 11) проникновением Ga, в ОПЗ GaAs во время отжига в

парах селена по октаэдрическим каналам по механизму, подобному миграции мышьяка. В отличие от Ga2Se3/GaAs(100) в структурах Ga2Se3/GaAs(l 11) такая миграция Gai вглубь кристалла невозможна.

С целью проверки описанных предположений были получены диодные структуры на основе GaAs, многократно обработанного в парах селена при Т„= ЗЗО'С в течение 5 минут. Многократная обработка получалась при стравливании в водном растворе НС! выращенного слоя селенида и выращивании нового слоя Ga2Se3 на травленой поверхности. В результате происходит накопление вносимых обработкой дефектов в приповерхностной области GaAs. Были получены диодные структуры Au/GaAs и Au/Ga2Se3/GaAs на подложках GaAs(lOO) с концентрацией электронов 4*10 см"3 после I, 2 и 3 цикла последовательных обработок поверхности GaAs. Постепенное увеличение наклона ВФХ (рис. 7,6) в масштабе 1/С2 от V говорит о снижении разницы Nd+ - Na" в области объёмного заряда Каждая обработка вносит определённую порцию в концентрацию глубоких акцепторов внутри ОПЗ, которую можно оценить как -10 см"3. При этом ВФХ диодов, полученных после последовательных аналогичных обработок на подложках, легированных до ~ 10ьсм'3, укладываются в масштабе 1/С2 от V на одну прямую с наклоном, соответствующим концентрации электронов исходных образцов. В этом случае, концентрации акцепторов оказывается недостаточно для компенсации.

Т, К

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

V¡ = + 1 В, Vd = - 1,4 В; ti = 50 мс, Û = 250 мс.

Спектры НСГУ (рис. 8 и 9) диодов Шоттки, полученных на подложках GaAs до и после 5 минутной обработки в парах Se2 при Т„ = 330°С, указывают на снижение концентрации центров EL6 (температура максимума 160-K7Û К) и увеличение концентрации центров EL8 (температура максимума 140К). Это в соответствии с результатами ряда исследований атомной структуры естественных для GaAs дефектов свидетельствует о снижении концентрации вакансий галлия V0a в приповерхностной области. EL6 соответствует пара вакансий и междоузельный мышьяк (Voa-VAs-Asi), a EL8 - вакансия мышьяка и мышьяк в междоузлие (Vaj-Así). Таким образом можно полагать, что проникающий в решётку кристалла GaAs галлий рекомбинирует с Vo¡, в составе EL6 при Т„ ~ 330°С в процессе обработки в парах селена. Если галлий занимает Va* то образуется GaAs.

Рис. 9, Спектры НСГУ диодных структур с контактами из Au, напылёнными на n-GaAs после ХДП (кривая 1); после обработки в парах Se2 и стравливания слоя селевдда (кривая 2); после повторной обработки в парах Se2 (кривая 3).

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

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

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

Основные результаты и выводы;

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

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

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

4. При обработке GaAs в парах селена выделяется сверхстехномяричный для растущей фазы селенида галлий, участвующий в рекомбинации точечных дефектов группы EL6 (парной вакансии VGa+ Vas) в приповерхностной области за счёт рекомбинации типа V0» + Ga, = Gao,, а также Va* + Gai = GaAs с образованием акцепторных уровней, что приводит к эффекту компенсации в приповерхностной области.

Основные результатьцщссщшш10'!УМЖОваны в вяботах:

1. Безрядин H.H. Влияние обработки в парах селена на дефекты приповерхностной области арсекида галлия. / H.H. Безрядин, Г.И. Котов, Ю.Н. Власов, A.A. Стародубцев, Р.К. Bhatnagar, P.C. Mathur // Известия высших учебных заведений. - Сер. Физика,- 2009г. - №4, -С.72-76.

2. Безрядин H.H. Методика регистрации и анализа изотермической релаксации емкости полупроводниковых гетероструктур / H.H. Безрядин, Г.И. Котов, A.B. Каданцев, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов//Приборы и техника эксперимента - 2010г. -№3 - С. 119-122.

3. Безрядин H.H. Устойчивость халькогенидной пассивации арсенида галлия в зависимости от времени хранения диодов Шотгки Al/GaAs / H.H. Безрядин, A.A. Стародубцев, Г.И. Котов, Ю.Н. Власов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборшж научных трудов) ВГГУ, Воронеж, 2005, -С. 28 - 31.

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

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

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

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

8. Котов Г.И. Влияние обработки в парах селена на структуру поверхности GaP и электрические характеристики диодов Шотгки с контактами из Al и Au // Г.И. Котов, C.B. Кузубов, Б .Л. Агапов, Ю.Н. Власов, A.B. Кортунов // Твердотельная электроника и микроэлектроника (межвузовский сборшж научных трудов) ВГТУ, Воронеж, 2010, -С. 119123.

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

10. Безрядин H.H. Токопрохожденис и емкостные характеристики диодов Шоттки на основе GaAs с туннеяьно прозрачным слоем СагБез / H.H. Безрядин, A.A. Стародубцев, Ю.Н. Власов И Тезисы докладов. Седьмая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 5-9 декабря 2005.- С.96.

11. Асессоров В.В. Электронно-микроскопическое исследование поверхности GaAs, обработанной в парах селена / В.В. Асессоров,Б.Л. Агапов, H.H. Безрядин, Г.И. Котов, A.A. Стародубцев, C.B. Кузубов, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ'2006» - Черноголовка, 5-10 июня 2006, - С. 31.

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

13. Безрядин H.H. Центры локализации заряда в приповерхностной области арсенида галлия / H.H. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLV отчётной научной конференции за 2006 год ВГТА, -4.2, -С. 136.

14. Безрядин H.H. Исследование электронных состояний в GaAs методом НСГУ / H.H. Безрядин, Ю.Н. Власов // Материалы XLVI отчётной научной конференции за 2007 год ВГТА, -4.2, -С. 125.

15. Безрядин H.H. Халькогенная обработка в технологии наноразмерных структур на подложках из арсенида галлия. Тезисы докладов VIII Российской конференции по физике полупроводников. Екатеринбург, 30 сентибря-5 октября, 2007, - С.121. H.H. Безрядин, Г.И. Котов, C.B. Кузубов, A.A. Стародубцев, Ю.Н. Власов, Т.А. Кузьменко.

16. Безрядин H.H. Влияние обработки арсенида галлия в парах селена на дефекты в приповерхностной области / H.H. Безрядин, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Девятая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 3 -7 Декабря 2007.- С.99.

17. Безрядин H.H. Анализ изотермических релаксаций ёмкости полупроводниковых гетероструктур по DLTS методике / H.H. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLVII отчётной научной конференции за 2008 год ВГТА, -4.2, -С. 151.

18. Безрядин H.H. Исследование дефектов в приповерхностной области GaAs методом DLTS / H.H. Безрядин, Ю.Н. Власов // Тезисы докладов. Десятая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, 1 -5 Декабря 2008.- С.101.

19. Безрядин H.H. Экспериментальное выделение моноэнергетического уровня на фоне ПЭС в рамках DLTS методики / H.H. Безрядин, Л.В. Васильева, Ю.Н. Власов // Материалы XLVIII отчётной научной конференции за 2009 год ВГТА, -4.2, -С. 165.

20. Котов Г.И. Реконструкция поверхности AmBv (Ш) в наногетероструктурах, сформированных обработкой в парах селена / Г.И. Котов, C.B. Кузубов, Б.Л. Агапов, H.H. Безрядин, Ю.Н. Власов // Материалы конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах». - Воронеж, 3-8 октября 2010 г.- С.378-379.

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

Подписано в печать 09.02.2012. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 16

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФРЮУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Власов, Юрий Николаевич, Воронеж

61 12-1/624

Воронежский государственный университет инженерных технологий

На правах рукописи

ВЛАСОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В СаАя И В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ

Са28е3/СаА8

01.04.10 - физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Безрядин Н.Н.

Воронеж-2012

Содержание

Введение....................................................................................4

ГЛАВА 1. ДЕФЕКТЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ ГЛУБОКИЕ УРОВНИ В GaAs.

1.1. Дефекты в объёме GaAs.........................................................13

1.2. Модели электронных состояний поверхности GaAs......................40

1.3. Управление спектром ПЭС на границе раздела Me/GaAs и высотой барьера Шоттки.......................................................................49

1.4. Методики контроля параметров электронных состояний в GaAs:

1.4.1 Вольт-амперная характеристика..........................................62

1.4.2 Вольт-фарадная характеристика..........................................63

1.4.3 Нестационарная спектроскопия глубоких уровней..................64

1.5. Выводы по главе 1. Цель работы и задачи исследования..................68

ГЛАВА 2. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ И ВЫБОР МЕТОДИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ GaAs

2.1. Формирование гетероструктур Me/GaAs и Me/Ga2Se3/GaAs...............71

2.2. Вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики гетероструктур Me/GaAs и Me/Ga2Se3/GaAs............................................................77

2.3. Методика анализа изотермических релаксаций ёмкости в рамках НСГУ метода......................................................................................80

2.4. Выводы по главе 2..................................................................98

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ В ПАРАХ СЕЛЕНА НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В GaAs

3.1. Поверхностные электронные состояния в GaAs после химико-динамического полирования подложки.............................................99

3.2. Влияние обработок в парах Se2 на поверхностные электронные состояния, проявляющиеся в спектрах НСГУ вблизи максимума EL3 ....105

3.3. Поверхностные электронные состояния, связанные с неоднородностью поверхности GaAs и ювенилизация поверхности в процессе обработки в парах Se2.................................................................................109

3.4. Выводы по главе 3..................................................................113

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ В ПАРАХ СЕЛЕНА НА ДЕФЕКТЫ В ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА ОаАз

4.1. Вольт-амперные и высокочастотные вольт-фарадные характеристики гетероструктур Аи(А1)/ОаАз и Аи(А1)/ОаА8/Оа28е3 ...........................114

4.2. Исследование методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней влияния обработки в парах селена на дефекты в приповерхностной области арсенида галлия ........................................................................121

4.3. Выводы по главе 4..................................................................131

Основные результаты и выводы......................................................132

Список литературы.......................................................................133

Введение

Актуальность темы: Проблема формирования совершенных границ раздела в гетеростуктурах на основе полупроводника ОаАБ сохраняет свою актуальность в настоящее время [1]. Создание современных оптоэлектронных элементов, приборов «спинтроники» немыслимо без качественной поверхности полупроводника с низкой плотностью поверхностных электронных состояний (ПЭС), малым количеством дефектов вблизи межфазных границ и, соответственно, центров рассеяния и безызлучательной рекомбинации, по энергии расположенных около середины запрещённой зоны полупроводника. При исследовании ваАз установлено [2,3], что структурные нарушения и высокую плотность дефектов вблизи поверхности и границ раздела ОаАБ вызывает элементный мышьяк, который выделяется при химическом взаимодействии полупроводника с пленкой собственного оксида и при межфазных реакциях на границах металл-ваАз и диэлектрик-ваАз. Для достижения высокого качества гетерограниц был предложен ряд технологических решений, основанных на формировании пассивирующих слоев различной природы, которые предотвращают ее окисление и сопутствующее дефектообразование. Наиболее простым и эффективным способом пассивации поверхности ОаАБ оказывается обработка её в халькогенсодержащей среде [4,5], которая позволяет снизить плотность ПЭС, открепить уровень Ферми на поверхности, что проявляется в восстановлении зависимости высоты барьеров Шоттки, полученных на обработанной поверхности, от работы выхода нанесённого металла. Авторы [6] показывают, что при нанесении Бе на поверхность ваАБ, нагретую до температуры выше 300°С, происходит замещение поверхностного мышьяка селеном, причём на поверхности имеют место исключительно связи Оа-8е, а связи Аэ-Бе отсутствуют. Мышьяк покидает поверхность, и изгиб зон в приповерхностной области снижается, что говорит об откреплении уровня Ферми.

Однако механизма снижения плотности ПЭС до сих пор не установлено. Основная сложность в этом направлении заключена в том, что для каждой границы раздела необходимо детально на атомном уровне разобраться в физико-химической природе поверхностных состояний. В работе [5] снижение плотности ПЭС связывается с реконструкцией поверхности ОаАБ. Известно [2,3,7], что реконструированное состояние полупроводников АШВУ без ПЭС наблюдается на сколотых в сверхвысоком вакууме поверхностях. При адсорбции же атомов металлов, полупроводников, металлоидов и особенно кислорода возникают ПЭС, закрепляющие уровень Ферми на поверхности. Помимо элементарного мышьяка вклад в ПЭС могут давать: так называемые металл-индуцированные ПЭС; дефекты, подобные дефектам в объёме полупроводника, но образующиеся на поверхности в большей концентрации; дефекты, связанные с неоднородностью поверхности и вызванные её окислением. Поэтому вопрос о детальной природе ПЭС и способах их устранения открыт до сих пор.

В результате кратковременной обработки в парах селена в камере квазизамкнутого объёма (КЗО) на поверхности ОаАБ образуется плёнка селенида галлия Оа28е3 толщиной в несколько нанометров [5,8], которая снижает плотность ПЭС, защищает поверхность от атмосферного кислорода. В данной работе исследовались электронные состояния ОаАБ до и после таких обработок.

2013 годы» по теме: «Разработка научно-технических основ повышения надежности и долговечности светодиодных световых приборов повышенной мощности в результате реализации новых технических решений по охлаждению светодиодов», государственный контракт № 16.516.11.6098 от 08.07.2011г. Работа включена в тематический план ГБ НИР «Физико-химические основы формирования наноразмерных гетерофазных систем в процессе гетеровалентного замещения» (№ гос. per. 1.1.09) и ГБ НИР «Физико-химические процессы в объёме и на границе раздела в неоднородных твёрдотельных системах» (№ гос. per. 01960012699) кафедры физики Воронежской государственной технологической академии.

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

Основными задачами исследования, исходя из поставленной цели, являются:

1. Формирование гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из А1 и Аи на основе GaAs до и после обработки в парах Se2.

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

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

Объекты и методы исследования.

Исследовались монокристаллические подложки арсенида галлия электронного типа проводимости марки АГЧ-25а <100> толщиной (390 ± 5)

мкм, АГЧ-25а <111> А толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> В толщиной (390 ± 5) мкм, а также подложки «под эпитаксию» исходные и обработанные в парах селена. Концентрация носителей заряда для различных подложек

1 /г -j 1 О -7

варьировалась в пределах от 10 см" до 10 см" . Структурно-фазовое состояние гетерограницы контролировалось просвечивающим электронным микроскопом Hitachi Н-800. Электрофизические параметры диодов Шоттки изучались методами вольт-амперных характеристик (ВАХ), высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ). Электронные состояния приповерхностной области GaAs изучались методами нестационарной спектроскопии глубоких уровней (ёмкостной вариант НСГУ) и фотолюминесценции.

Научная новизна.

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

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

Обнаружены особенности поведения сверхстехиометричного для растущей фазы Ga2Se3 галлия - проникновение его в область пространственного заряда GaAs и модификация системы дефектов, сопровождающаяся эффектом компенсации по мере увеличения концентрации глубоких акцепторов, связанных с дефектами перестановки

GaAs.

Практическая значимость.

В работе определены причины возникновения ПЭС на реальной окисленной поверхности СаАэ и изучен механизм их устранения при отжиге поверхности полупроводника в парах селена. Полученные результаты могут быть использованы для получения границ раздела с участием ваАБ с малым количеством дефектов. Обработкой в парах селена может быть достигнута консервация поверхности арсенида галлия в технологии подготовки пластин под эпитаксию за счёт ограничения доступа кислорода к поверхности ОаАБ, приводящего к нарушению планарной однородности при хранении на воздухе. Исследование поведения системы дефектов ОаАз при окислении воздухом, под воздействием химических обработок и в процессе отжига в парах селена приблизило понимание атомной структуры дефектов, обнаруживаемых нестационарной спектроскопией глубоких уровней.

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

Личный вклад автора.

Постановка задачи и определение направлений исследования осуществлялись д. ф.-м. н., профессором H.H. Безрядиным. Лично автором проведены эксперименты по получению гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из AI и Au на поверхности арсенида галлия и на обработанной в парах селена поверхности арсенида галлия с наноразмерной плёнкой Ga2Se3; исследованы вольт-амперные, вольт-фарадные характеристики, изотермические релаксации ёмкости полученных структур; закономерности изменения спектров ПЭС и электронных состояний в области пространственного заряда GaAs в зависимости от изменения состояния поверхности; разработаны модели ПЭС и состояний, обусловленных варьированием ансамбля точечных дефектов в приповерхностной области подложки в процессе обработок в парах селена. В работе принимали участие на этапе изготовления образцов к.ф.-м.н., доцент Г.И. Котов, к.ф.-м.н. A.A. Стародубцев. Часть изотермических релаксаций ёмкости получены совместно с ассистентом Л.В. Васильевой. Обсуждения результатов на протяжении всей работы проведены вместе с д.ф.-м.н., профессором H.H. Безрядиным, к.ф.-м.н., доцентом Г.И. Котовым.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Девятой и Десятой всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2008г.), XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ'2006» (Черноголовка, 2006г.), IX международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2006 г.), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007г.), а также на отчетных XLV, XLVI, XLVII, XLVIII научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009 г.).

Публикации.

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

Объем и структура диссертации

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

В первой главе на основе литературных данных обсуждается атомная структура дефектов кристалла GaAs и анализируются параметры соответствующих центров локализации заряда. Показано, что дефекты, содержащие вакансии в мышьячной и галлиевой подрешётке, по энергии в запрещенной зоне расположены соответственно вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, в то время как дефекты перестановки дают глубокие уровни вблизи середины запрещённой зоны.

Дано обоснование возможности использования халькогенной обработки для пассивации поверхности подложек из полупроводников АШВУ, представлены различные методики обработки в халькогенах и происходящие при этом структурно-фазовые изменения и реконструкции поверхности полупроводника. Обсуждаются причины закрепления уровня Ферми, а также способы управления спектром электронных состояний у поверхности ОаАз. Глава завершается постановкой цели и задач исследования.

Во второй главе представлены результаты электрофизических исследований диодов Шоттки с контактами из А1 и Аи на подложках до и после обработки в парах селена различной продолжительности и температуры подложки. Показана связь обработки поверхности ОаАз в халькогене с откреплением уровня Ферми и изменением электрофизических характеристик полученных на таких подложках диодов Шоттки. Обсуждаются механизмы деградации пассивирующего эффекта при взаимодействии тонких слоев селенида с замурованным под слоем металла кислородом. Представлены технологические условия получения диодов Шоттки с устойчивыми во времени хранения электрофизическими характеристиками, в которых плёнки Оа28е3 на поверхности ОаАз сохраняют пассивирующий эффект. Для более глубокого понимания физико-химических процессов происходящих с поверхностью ОаАз при обработке в селене привлекался метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ). С целью корректного контроля концентрации и энергии активации глубоких уровней приповерхностной области ОаАз был произведён поиск наиболее оптимальных режимов измерения изотермических релаксаций ёмкости (ИРЕ) и выбор времён выборки �