Фотоэлектронные свойства реальной поверхности арсенида галлия и фосфида индия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ

Б 0/1

| п тт

н<'< Г На правах рукописи

л

г

БАЙДУСЬ Николай Владимирович

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И ФОСФИДА ИНДИЯ

01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 1993

Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Карпович И. А., кандидат физико-математических наук, доцент Бедный Б. И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент Демидов Е. С., кандидат физико-математических наук, с. н. с. Скупов В. Д.

Ведущая организация — Саратовский государственный университет.

Защита состоится 19 апреля 1995 г. на заседании диссертационного совета Д 063.77.03 при Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского по адресу: 603600, Н. Новгород, лр, Гагарина, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Чупрунов Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес к фотоэлектронным свойствам реальной поверхности GaAs я InP обусловлен возрастающим применением этих полупроводниковых материалов в микро- и оитозлектропн-ке, СВЧ-техшгке. Свойства реальной поверхности, т.е. поверхности, прошедшей некоторый цикл механической н химической обработки и находящейся в контакте с атмосферным воздухом, существенно влияют на технические и эксплуатационные характеристики многих электронных и фотоэлектронных приборов.

К настоящему времени для етих материалов относительно хорошо изучены свойства атомарно-чистой поверхности и межфазной границы диэлектрик - полупроводник (ДП - границы) с некоторыми диэлектриками <Si02, AI2O3 и др.). Значительно меныие исследованы свойства реальной поверхности. По-видимому, это связано с трудностями определения электронных параметров и характеристик такой поверхности и, в первую очередь, такого важнейшего параметра, как значение начального изгиба зон Ц> Большая, чем у кремния, ширина запрещенной зоны этих материалов и характерное для них более тин менее жесткое зякреилешге (пикягогг) уровня Ферми на иоверхкоспг не позволяют использовать для определения Uo классический метод, основанный на измерении поверхностной проводим оста, а малы г времена жизни неравновесных носителей затрудняют или делают невозможным применение метода, основанного на измерении фотсэдс пасыщения. Подобные затруднения возникают и при определении других характеристик реальной поверхности, например, плотности поверхностных состояний и их распределения по энергии, скорости поверхпостной рекомбинации и др.

Недостаточно изучен к настоящему времени, особенно для InP, вопрос о возможности управления состоянием реальной поверхности (изгибом зон) с помощью различных физико - химических обработок. Хорошо известно, что обычная рсальпая поверхность GaAs и InP находится в состоянии обеднения. Вопрос о пределах изменения начального изгиба зон с помощью тех оти ипых физико-химтеских обработок, т.е. вопрос о жесткости гмининга па реальной поверхности практически не изучен. Между тем нахождение способов контролируемого

управления изгибом зон на поверхности имеет не только важное, методическое значение (так как исследование электронных свойств поверхности часто сводится к изучению зависимости ее характеристик от изгиба зон), но важно и в практическом отношении, в частности, для решения технологической задачи пассивации поверхности в электронных приборах.

Проблема пассивации поверхности полупроводников А3В5 привлекает в последние годы повышенный интерес исследователей. Под пассивацией поверхности обычно понимают решение трех в значительной степени независимых задач: открепление уровня Ферми на поверхности, обеспечивающего возможность создания равновесного обогащения (или инверсии) на поверхности, уменьшение скорости поверхностной рекомбинации, снижение химической активности поверхности (в частности, скорости ее окисления на воздухе). Первое важно для создания, например, полевых МДП - транзисторов, второе -для улучшения характеристик фотоэлектронных приборов (фотоприемников, лазеров и др.), третье - для обеспечения стабильности характеристик приборов.

Определенные надежды возлагаются в последние годы на сульфидную пассивацию поверхности ОаАь н некоторых других полупроводников А3В5. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, механизм сульфидной пассивации остается все еще не вполне ясным. Получены противоречивые данные и о некоторых свой. ствах пассивированных поверхностей.

Цели работы. В связи со сказанным выше определились н основные задачи, которые решались в данной работе:

1. Исследование фотоэлектрических свойств реальной поверхности ОаАв и 1пР методами фотопроводимости н поверхностной фото-аде с целью выяснения природы и механизма этих явлений, а также разработки новых методик определенна фотоэлектронных параметров и характеристик поверхности.

2. 1!зучение влияния различных фнзихо - химических воздействий (адсорбция кислорода и паров воды, поверхностное легирование не-

которыми металлами, термовакуумная обработка, имплантация ионов и др.) да фотоэлектрические свойства поверхности 1пР с целью выяснения механизма этого влияния и разработки способов контролируемого управления состоянием поверхности п ее модификации.

3. Разработка новых и усовершенствование известных методов пассивации поверхности ваАв, изучение особенностей пассивированной разпыми способами поверхности и механизма пассивации.

Научная нопиэна работы

1. В работе получили дальнейшее развитие и экспериментальное обоснование модель барьерпой фотопроводимости эшггакспалышх слоев 1пР и СаАв и основанный на ней метод определенна начального изгиба зоп на поверхности этих материалов, метод малосигнальной поверхностной фотоэде.

2. Впервые показана возможность применения метода динамического конденсатора для диагностики гетероструктур" с квантовыми ямами.

3. Показана возможность контролируемого изменения изгиб л зоп на поверхности 1пР в значительных пределах с помощью различных поверхностных воздействий,- свидетельствующая об относительно слабом закреплении уровня Ферми на реальной поверхности. Установлена важная роль кислорода й паров воды в формирование отрицательного поверхностного заряда.

4. Впервые получены данные об изменении плотности поверхностных состояний вблизи с-зоны и величине изгиба зон при модифицированных методах сульфидной и фосфиднон пассивации поверп-ности ОаАз. Экспериментально подтверждена модель гетерозшггах-сиальной пассивации С&Аз.

Практическая ценность

1. Развитые н усовершенствованные в работе метод определения начального изгиба зон на реальной поверхности по совместным тмерстгш барьерпой фотопроводимости п поверхностной фотоэде, а также метод иалоенгнальпой поверхностной фотоэде могут бшь

использованы в качестве £ффективных методов диагностики и контроля состояния реальной поверхности СаАа к 1пР.

2. Возможность контролируемого управления величиной начального изгиба зон на реальной поверхности 1пР может бьггь использована в технологии диодов н транзисторов иа атом материале.

3. Предложенные а экспериментально обоснованные в работе модифицированные методы химической (сульфидной и фосфидиой) и гетероэпитаксиальнон пассивации поверхности ОаАз могут быть использованы для снижения рекомбинациопной активности поверхности в лазерах и фотоэлектронных приборах, и для создания МДП-транзнсторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Фотопроводимость проводящих эпитакснальных слоев 1пР и ОаАь при низких уровнях фотовозбуждения имеет барьерную природу. Оаа обусловлена изменением ширины поверхностного и внутреннего барьеров при освещении. Характерным признаком барьерной фотопроводимости является ее логарифмическая зависимость от интенсивности освещения.

2. Разработан метод определения величины изгиба зон на поверхности, основанный на совместных измерениях барьерной фотопроводимости и поверхностной фотоэдс.

3. Измерения малое игаальной поверхностной фотоэдс при малом отклонении от равновесного потенциала поверхности (т.е. при отсутствии эффекта накопления) позволяют разделить вклад барьерной и ловушечпой компонент в фотоэдс и определить некоторые параметры поверхности полупроводника.

4. На поверхности 1пР отсутствует жесткое закрепление уровня Ферми. Различные адсорбционные воздействия позволяют управлять величиной изгиба зон в пределах 0.6 эБ.

5. Свойства приповерхностной области 1пР чувствительны к достаточно слабым поверхностным воздействиям. Бомбардировка ионами неона с энергией 10 квВ и дозой Ю10 см-2, термовакуумный отжиг при

г

температуре выше 200°С, сульфидированяе поверхности прн комнатной температуре приводят к заметному уменьшению подвижности электронов на краю области пространственного заряда. Дальнодей-ствующее влияние ионного облучения приводит к уменьшению дрейфовой подвижности электронов и времени жизни неосновных носителей заряда.

6. Время релаксации поверхностной фотоэдс в 1пР существенно зависит от состояния поверхности: замена собственного оксидного слоя на моЕтоатомимй сульфидный приводит к уменьшению Тф более чем на два порядка, а обеднение поверхности фосфором при термо-вакуумпой обработке - к полному исчезновению медленной компоненты поверхностной фотоэдс. Медленная компонента почти не проявляется на поверхности р-ГпР.

7. Химическая (сульфидная и фосфшшая) и гетероэшггакснальиая (1пСаР) пассивация поверхности ваАя приводят к уменьшению изгиба зон, эффективной плотности ПС вблизи с-зоны (на 1-2 порядка) и скорости поверхностной рекомбинации.

Химическая пассивация, при которой происходит замена оксидного слоя на тонкий сульфидный юти фосфидный, обеспечивает более совершенное строение поверхности вследствие удаления с поверхности мышьяка и его окислов. Гетероэпитакспольггая пассивация обусловлена образованием достаточно совершенной гетерограницы и снижением рекомбннациоаных потоков носителей на поверхность барьером гетерослоя.

Апробация результатов. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 статей /1-12/ и 7 публикаций в материала?' конференций /13-19/.

Осповиые результаты работы докладывались на I Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (Ленинград, 1989), Всесоюзной конференции "Фотоэлектронные явления в полупроводниках" ( Ташкент, 1989), Всесоюзной конференции" Физика полупроводников" ( Кнев, 1990), X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1991), Всесоюзной конференции "Поверхность - 89" (Черноголовка, 1989), I Национальной

конференции " Дефекты в полупроводниках" (Санкт - Петербург, 1992)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 46 рисунков, 8 таблиц, библиографию из 159 наименований.

Содержание диссертации

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные задачи исследования и положения, выносимые на защиту

Глава I посвящена исследованию фотоэлектрических свойств эпнтаксиальных слоев н монокристаллов СаАв н 1пР, главным образом явлений фотопроводимости (ФП) и поверхностной фотоэдс (ПФЭ) в этих материалах.

Экспериментальная установка позволяла производить следующие измерения при постоянном освещении: контактной разности потенциалов (КРП) методом динамического конденсатора (зонд Кельвина) и ее изменений при освещении (поверхностная фотоэдс - ПФЭ), кинетических н люкс-вольтовых (ЛВХ) характеристик ПФЭ, проводимости и фотопроводимости (ФП) образцов одновременно с измерениями ПФЭ, частотных зависимостей подвижности в эффекте ноля при разных уровнях освещения, проведение измерений на воздухе и в вакууме в процессе различных воздействий на поверхность полупроводника (температурный продев, адсорбция газов, паров жидкостей и атомов металлов).

Фотопроводимость и фотоэдс измерялись также при модулированном монохроматическом освещении. Фотоэдс в этом случае измерялась методом статического конденсатора.

Изучалась природа фотопроводимости эпитаксиальных слоев 1пР и ваАв, трактовка которой в литературе до сих пор остается противоречивой. Предложена и экспериментально обоснована модель барьерной фотопроводимости эпитаксиальных слоев 1пР и ОаАв, согласно которой фотопроводимость обусловлена изменением толщины квазя-лейтральной области слоя вследствие изменения толщин областей про-

б

стрянственного заряда потенциальных барьеров как на иоверхностп, так и на пч переходе. На основе предположения, что поверхностный барьер описывается моделью Шотткн, получено простое соотношение, связывающее барьерную ФП (БФП) с ЛФЭ.

Показано, что при достаточно низких нитенсивностях освещения величина БФП может на много порядков превышать объемную фотопроводимость. Характерным признаком БФП является логарифмическая зависимость ФП от интенсивности освещения. Поскольку явления ПФЭ и БФП тесно связаны, их одновременное измерение в одних и тех же структурах позволило провести сравнение с теорией. Разработаны способы разделения вклада в фотопроводимость поверхностного и внутреннего барьеров, основанное на применении излучения разного спектрального состава и использовании различия во временах релаксации после выключения фотовозбуждення.

На основе барьерной модели разработан и апробирован способ определения величины приповерхностного изгиба зон из совместных измерений БФП и ПФЭ. Определены условия его применимости.

Исследования ПФЭ режиме малого сигнала (ДУф « кТ/ц) обычно ггроводятся при модулированном освещении (измеряется дифференциальная ПФЭ (ДПФЭ)). ДПФЭ в результате накопления разделенных полем барьера неравновесных зарядов обычно измеряется в некотором неопределенном сильно неравновесном состоянии поверхности что не позволяет проводить сравнение экспериментальных результатов с теорией, рассматривающей малоенгнальную ПФЭ (МПФЭ) как малое отклонение от равновесного потенциала поверхности.

Исследование МПФЭ в квазиравновесных услов!их практически возможно лишь при использовании постоянного освещения достаточно малой тггенснвности (Ь < 10^ см~2с-1). Результаты исследований МПФЭ в ОоАз сравнивались с теорией для простой модели ОПЗ с моноэдерпетичеекпмп поверхностными ловушками.

Показана возможность разделения фотоэде в этих условиях на барьерную и ловушечиую компонент, различающихся по величине, пречеип релаксации и шерпш активация температурной завис им осп? фотозде. Из сравнения экспериментальных данных с теорией следует, что на сульфнднровашюй поверхности домшигрует барьерный ме.ча-

шш, что согласуется с данными о более совершенном строении такой поверхности. На реальной, и аиодио-оксидироваынок поверхности фотоздс имеет ловушечную природу и определяется захватом фотодырок па поверхностные ловушки типа центров прилипания. Это приводит к увеличению фоточувствнтельностн в режиме МПФЭ в 2-30 раз но сравнению с барьерной.

Методы фотопроводимости н фотоздс применены для изучения фотоэлектрических свойств монокристаллов и слоев СаАз и 1пР, поверхность которых модифицирована химико-механической полировкой (ХМП), а также встраиванием непосредственно на поверхность или в 0113 размерно квантованного гетерослоя 1пОаАь или 8- слоя Се.

Характерной особенностью поверхности п-ОаАй, подвергнутой химико-механической полировке (ХМП), является большой наклон люкс-вольтовой характеристики (ЛВХ), построенной в полулогарифмических координатах. Наклон ЛВХ т], являющийся аналогом параметра иеидеальности в барьерах Шотгкн, составлял 1.8-2.2. Согласно теории, значения т| « 2 обусловлены высокой скоростью рекомбинации в 0113. Установлено, что влияние рекомбинации в ОПЗ на наклон ЛВХ проявляется в основном при инверсионных изгибах зон, которые реализуются на дефектной поверхности СаАз после ХМП. Химико-механическая полировка поверхности р-1пР, в отаичие от п-СаАь, не приводила к увеличению наклона ЛВХ, что связано с малой величиной изгиба зон (« 0,5 эВ). Для увеличения изгиба зон была использована адсорбция индия из атомного пучка в вакууме, переводящая поверхность в состояние инверсии. При этом были получены значения т| « 2.

Большой скоростью рекомбинации в ОПЗ характеризуются а пленки п-СаАв с 5-легированным слоем Ое в ОПЗ поверхностного барьера, что проявляется в значении параметра п « 2. При атом почти полностью подавляется фоточувствительность поверхностного барьера по фотопрововодимости пры сохранении фоточувствительиости по фотоздс, что связано с низкой подвижностью электронов в 5-слое и захватом неравновесных электронов на ловушки у границ 8-слоя.

Исследована ПФЭ в режиме большого сигнала в эпитакснальных слоях ОаАз с квантовыми ямами (КЯ), образованными гетеропрослой-кой твердого раствора 1пхСа1-хА8 (х = 0.15-0.3, ширина квантовых ям

I г

(5-10) пм). Наличие КЯ проявляется в появлегпш дополнительной полосы фоточувстшгтелшости в ннзкоэнергетической области, подобной полосе примесной фоточувствительности. Хотя КЯ поглощает только около 1% падающего на нее излучения, ПФЭ в области поглощения КЯ всего на 25 - 30 % меньше, чем в области собственного поглощения СэАб, где имеет место полное поглощение излучения. Это связано с сублинейной (логар1гфнической) зависимость го ПФЭ, измеренной в режиме большого сигнала, от интенсивности ссгсщения, которая позволяет обнаруживать сильно дефектные КЯ, обладающие низкой фоточувств нтелыгостьго.

ПФЭ в режиме большого сигнала линейно растет при шншжешш температуры. Показано, тто наклон линейного участка при фотовоз-буждешт КЯ, расположенной в квазннейтралыгой области, меньше, чем в случае собственного фотовозбуждення СаАг., от величину барьера в квантовой яме для неосновных носителей.

В глапе II приведены результаты ¡пучения влияния различпыя физико-химических воздействий на электронное состоягше поверх-ностн 1пР.

Программа исследований включала изучение следующих зогтросоп:

1. Поиск способов физико-химического воздействия па реальную поверхность п- н р- 1пР, обеспечивающих значительные изменения ее состояния, в первую очередь положения уровня Ферми на поверхкоста (изгиба зоп).

2. Выяснение основных закономерностей изменения электронных свойств поверхности и ее электрофизических параметров (изгиба зон, плотности ПС, кпнетпческид характеристик электронного обмена между объемом п ПО при этих воздействиях.

3. Развитие модельных представлений об электронной структуре н механизме электронных, я фотоэлектронных процессов па реальной и нотифицированной поверхности 1пР.

Был опробован рад способов воздействия на поверхность 1пР: термозакуумпая обработка, адсорбция кислорода и паров поды, адсорбция некотор!лх металлов (1п, Ag) го молекулярного пучка в вакууме (поверхностное легирование), термическое н анодное окисление, понная кмплкнтяшм, сульфндирование поверхности.

Установлено, что низкотемпературная вакуумная термообработка (250-350°О, поверхностное легирование индием, адсорбция паров воды, экспозиция в среде сухого и влажного воздуха обеспечивают возможность управления положением уровня Ферми на поверхности в интервале энергии 0.2 - 0.8 эВ от дна зоны проводимости в материале п-типа и в интервале 0.5-1.1 эВ в материале р-типа. Это свидетельствует об отсутствии жесткого закрепления уровня Ферми на реальной поверхности 1пР. Адсорбция кислорода и паров воды приводит к смещению уровня Ферми на поверхности к потолку валентной зоны. Однако, сильно меняя поверхностный заряд, адсорбция кислорода и паров воды существенно не меняет параметров ПС и-образного распределения вблизи с-зоны. Молекулы воды определяют также диполь-ную компоненту работы выхода (до 0.2 эВ).

Донорное действие атомов металлов при поверхностном легировании из молекулярного пучка в вакууме приводит к почти полному исчезновению шгаба зон в п-1пР и его увеличению до 1.1 эВ в р-1пР. При анодном или термическом окислении поверхности п-1пР вследствие удаления ПС адсорбционной пророды изгиб зон также оказывается малым (0.2-0.3 эВ). При этом способ получения окисла и его состав не оказывает существенного влияния на положение уровня Ферми на поверхности и плотность ПС.

Для исследования энергетического спектра ПС измерялись частотные зависимости подвижности в эффекте поля при различных значениях изгиба зон, который варьировали изменением уровня подсветки. Получены участки и-образного распределения плотности ПС в верхней части запрещенной зоны п-1пР, которые описываются экспоненциальным законом. Экспоненциальное уменьшение плотности ПС вшубь запрещенной зоны согласуется с моделью ПС, обусловленных разупорядочением, и характерно для склонов и - образного континуума ПС в МДП-структурах на основе соединений А3В5. Полученные результаты свидетельствуют, что плотность ПС имеет кваз«непрерывное распределение не только на окисленной, во в на реальной поверхности 1пР.

Выше была отмечена чувствительность изгиба зон к низкотемпературной вакуумной обработке, ТВО при температуре выше 200°С

приводит к уменьшению долговременной составляющей ПФЭ вплоть до ее полного исчезновения при Тотж ^ 300°С, что связывается с обеднением поверхности фосфором. При этом также меняются объемные свойства материала: уменьшается дрейфовая подвижность электронов на краю ОПЗ (т.е. на глубине я 0.1 мкм).

Исследовано влияние дефектов, вводимых бомбардировкой поверхности 1пР нонами неона, на электронное состояние поверхности. Обнаружено, что даже при малых дозах (Ю10см-2) происходят существенные изменения поверхностных и объемных свойств полупроводника: уменьшение эффективной подвижности электронов и характеристического времени релаксации в эффекте поля, изменение положения уровня Ферми на поверхности. Термический отжиг частично восстанавливает параметры полупроводника. На некоторых образцах был обнаружен эффект увеличения дрейфовой подвижности электронов на краю ОПЗ примерно на 30% по сравнению с ее значением до имплантации, что объяснено гетгерированием объемных ростовых дефектов ионно-нарушешшм приповерхностным слоем.

Обнаружеио дальнодействующее влияние (на расстоянии »400 мкм) облучения ионами аргона тыловой поверхности полуизолирующей подложки на электронные свойства эпитахсиальных пленок п-1пР: уменьшение времени жизни носителей заряда и подвижности электронов в эффекте поля.

Изучалось вляние двух способов сульфидной пассивации на электронные свойства поверхности п-1пР. Согласно литературным данным, при обработке 1пР в водном растворе сульфида натрия происходит замена собственного оксидного слоя на моноатомный сульфидный. Это приводит к увеличению изгиба зон и значительному уменьшению времени релаксации ПФЭ, увеличению ФП, измеренной при модулированном освещении, в 25-30 раз. Значительное увеличение фоточувствительности обусловлено увеличением глубины модуляции поверхностного барьера при освещении в результате уменьшения времени релаксации ПФЭ. Спектр ФП до сульфидирования определяется модуляцией при освещении внутреннего барьера (поверхностный не успевает ре-лаксировать), а после сульфидирования доминирующий вклад в ФП слоя дает поверхностный барьер. Однако обработка в водном растворе

сульфида натрия, по-видимому, сопровождается генерацией дефектов, что приводит к некоторому увеличению плотности ПС в верхней части запрещенной зоны я уменьшению дрейфовой подвижности электронов на краю ОПЗ.

Более эффективным способом пассивации поверхности 1иГ является термовакуумная обработка в парах серы при 370°С, при которой образуется достаточно толстый слой сульфида индия (« 20 им). Состояние такой поверхности характеризуется плоскими зонами. Наличие в МОП-структуре прослойки сульфида индия приводит к сдвигу вольт -фарадных характеристик в область отрицательных напряжений, увеличению их крутизны, подавлению частотной дисперсии емкости, уменьшению гнстерезисныл эффектов н значительному уменьшению плотности ПС. Пассивирующий слой является фоточувствительным и участвует в формировании долговременной поверхностной фотоэдс ловушечной природы.

В главе III приведены результаты исследования электронных и фотоэлектронных свойств пассивированной различными способами поверхности ОаАв.

Дан обзор состояния вопроса о применении пассивирующих обработок на поверхности ваАз. Сформулированы основные требования к пассивирующим обработкам: снижение плотности ПС (открепление уровня Ферми), уменьшение скорости поверхностной рекомбинации и химической активности поверхности. Пассивирующая обработка должна обеспечить отсутствие на поверхности ваАь элементарного мышьяка и его оксида, с которыми связывается разупорядочение поверхности, н создание защитного покровного слоя, ковалентно связанного с полупроводником. В обзоре рассмотрены четыре способа пассивации: фотохимическая обработка в воде, насыщенной кислородом, химическая обработка в сульфидных расворах, два способа фосфидной пассивации (в плазме фосфина и его парах) и гетероэпитаксиальпая пассивация.

Показано, что фотохимическая и влажная сульфидная обработки хота и приводят к снижению скорости поверхностной рекомбинации (такой вывод обычно делается иа основании измерений интенсивности краевой фотолюминесценции), пе обеспечивают пассивацию поверх-

поста. Анализ теоретических и экспериментальных работ по составу и структуре сульфиаированных поверх нюстей показывает, что химически обработанную в сульфидном растворе поверхность ОаАБ необходимо отжигать в вакууме. При атом на поверхности формируются ковалепт-ные связи Оа-8 и исчезают связи Аь-5. Согласно теории это должно привести к упорядоченной поверхностной структуре и низкой плотности ПС.

Литературные данные о составе и электронным свойствам фосфи-дированных поверхностей свидетельствуют о том, что обработка в плазме фосфина приводит к генерации глубоких уровней в приповерхностной области СаАз. Более мягким способом является термообработка в парах фосфина, которая приводит к образованию га поверхности тонкого^ 3 гш) слоя ваР, уменьшению скорости поверхностной рекомбинации и способствует улучшению параметров барьеров Шотткн.

В обзоре описана предложенная недавно /12/ модель гетероэпи-таксиальной пассивации. Вытекающие из этой модели основные требования к покровному гэтерослою заключаются в следующем: материал гетерослоя должен удовлетворять обычиьш требованиям структурного соответствия с базовым полупроводником, он должен быть более ига-рокозонным по сравнению с базовым полупроводником для ограничения рекомбгенацяонных потоков носЕггелей иа внешнюю поверхность гетерослоя, необходимо выбрать материал с возможно боллее низкой плотностью ПС и более пологим и-образным распределением, толщина гетерослоя должна превышать предельную длину туннелнроваши, но быть много меньше толщины ОПЗ.

Экспериментально эффект пассивации поверхности СаАз был обнаружен в результате применения следующих обработок:

- сульфндярованпе в водном растворе сульфида натрия и последующая термовакуумная обработка при температурах 250-300°С;

- термообработка в парах фосфина при температуре 650°С, проведенная в реакторе сразу после завершения процесса газофазной эшггаксни,

- гетерозшпакспальная пассивация тонким (15 им) широко^онным слоем 1пхОа1_хР с х » 0.5 (Е£= 1.9 эВ).

Реальная поверхность ваАь характеризуется закреплением уровня Фермн иа поверхности вблизи середины запрещенной зоны, изгиб зон составляет обычно 0.6-0.7 эВ. Плотность ПС в верхней части запрещенной зоны имеет квазннепрерывное экспоненциальное распределение и ее величина примерно на порядок выше, чем в 1пР.

Установлено, что указанные обработки приводят к откреплению поверхностного уровня Фермн, что проявляется в значительном уменьшении плотности поверхностных состояний (на 1-2 порядка величины), уменьшении приповерхностного изгиба зон (на 0.4-0.5 эВ) и скорости поверхностной рекомбинации не менее чем на два порядка.

При модифицированной сульфидной обработке происходит формирование упорядоченного сульфидного слоя, в котором атомы серы замещают поверхностные атомы мышьяка н образуют химические связи с атомами галлия. Однако состояние сульфндированной поверхности нестабильно в условиях комнатной атмосферы и аффект пассивации уменьшается.

Пассивирующее действие фосфидной обработки связывается с формированием покровного слоя СЫ\ препятствующего окислению ОаАв.

Эффект гетеровшггаксиальной пассивации объясняется образованием достаточно совершенной гетерогранацы н ограничением барьером гетерослоя рекомбниацнониых потоков носителей на поверхность. Электрофизические свойства поверхности, пассивированной последними двумя способами, стабильны при длительном хранении образцов на воздухе.

ВЫВОДЫ

1. Предложена и вкспернментально обоснована модель барьерной фотопроводимости эпитакснальпых слоев 1пР н ваАк, согласно которой фотопроводимость обусловлена изменением толщины квазинейтральной области слоя. В общем случае следует учитывать ее изменение вследствие модуляции при освещении как поверхностного, так а внутреннего барьеров (на п-1 переходе). При достаточно низких шгген-сивностях освещения величина барьерной фотопроводимости может на много порядков величины превышать объемную фотопроводимость.

Характерным признаком барьерной ФИ является логарифмическая зависимость ФП от интенсивности освещения. Предложены способы разделения вклада в фотопроводимость поверхностного и внутреннего барьеров. На основе барьерной модели разработай и апробирован способ определения величины приповерхностного изгиба зон на реальной поверхности из совместных измерений барьерной фотопроводимости и поверхностной фотоэдс.

2. Исследована малосигнальная поверхностная фотоэдс в п-ОаА» в условиях малого отклонения фотопотенцпала поверхности от равновесного состояния. Показана возможность разделения фотоэдс в этих условиях на барьерную и ловушечную компоненты, различающихся по величине, времени релаксации и энергии активации температурной зависимости. Из сравнения экспериментальных данных с теорией следует, что на оксидированной поверхности фотоэдс имеет ловушечную природу и определяется захватом фотодырок на поверхностные ловушки типа центров прилипания, па сульфпд1гровагшой поверхности доминирует барьерный механизм.

3. Наличие рекомбинации в ОПЗ может приводить к увеличению параметра т| люкс-вольтовой характеристики ПФЭ до 2 и более. Условием проявления эффекта является наличие ттерсионного слоя. Установлено, что после химико-механической полировки поверхности или встраивания в приповерхностную область 5-слоя германия рекомбинация в ОПЗ имеет существенное значение.

4. Исследована поверхностная фотоэдс в режиме большого сигнала на слоях ваАя с квантовой ямой 1пОаАБ. Показана возможность обнаружения квантовых ям по спектру ПФЭ и определения энергии активации термического выброса неосновных носителей из КЯ по температурной зависимости ПФЭ. В некоторых случаях (сильно дефектные структуры, низкие температуры) режим большого сигнала имеет преимущества перед режимом малосигнальной дифференциальной, фотоэдс.

5. Исследована зависимость изгиба зон (положения уровня Ферми на поверхности) от физико-химического состояния поверхности 1пР. В формировании отрицательного заряда поверхности существенную роль играют адсорбированные молекулы кислорода? и воды. Именно они

являются причиной больших (0.6-0.7 эВ) изгибов зои на поверхности п-InP, подвергнутой химическому травлению или обработке в растворе сульфида натрия. Адсорбция металлов в вакууме оказывает противоположное - доиориое действие. Указанные обработки обеспечивают возможность управления положением уровня Ферми на поверхности в интервале энергий Iics - 0.2-0.8 эВ в материале п-тнпа и в Ecs-0.5-l.l эВ в материале р-тнпа. Это свидетельствует об отсутствии жесткого закрепления уровня Ферми на реальной поверхности InP. Показано, что положение уровня Ферми на поверхности устанавливается при толщине оксида менее 10 им и при больших толщинах практически не зависит от толщины и способа получения оксида.

6. Время релаксации поверхностной фотоэдс в InP может меняться в пределах трех порядков в зависимости от состояния поверхности: сульфнднрованне приводит к значительному уменьшению относительного вклада медленной компоненты ПФЭ, а термовакуумная обработка - полному ее исчезновению. Значительное уменьшение времени релаксации ПФЭ при сульфиднровании приводит к увеличению фотопроводимости, измеряемой при модулированном освещении.

7. Плотность ПС в верхней части запрещенной зоны свободной, окисленной и сульфиднрованной поверхности фосфида индия имеет квазииепрерывное распределение с экспоненциальным затуханием вглубь запрещенной зоны. При атом свободная поверхность характеризуется наименьшей плотностью ПС.

8. Свойства приповерхностной области InP чувствительны к достаточно слабым поверхностным воздействиям. Бомбардировка ионами неона с энергией 10 кэВ и дозой 10№см-2, термовакуумный отжиг при температуре выше 200°С, сульфнднрованне поверхности при комнатной температуре приводят к заметному уменьшению подвижности электронов на краю, ОПЗ. Дальнодействующее влияние ионного облучения приводит к. уменьшению дрейфовой подвижности электронов и времени жизни неосновных носителей заряда. Обнаружен эффект увеличения дрейфовой подвижности электронов на краю ОПЗ примерно на 30% по сравнению с ее значением до имплантации при термовакуумном отжиге радиационных дефектов.

9. Исследованы свойства поверхности при двух способах сульфиди-

ровашш поверхности InP: в водном растворе сульфида натрия и при термообработке в парах серы. Установлено, что второй способ более эффективен для целей пассивации: он обеспечивает состояние плоских зон, низкую плотность ПС и отсутствие гистерезиса CV-характеристик в МДП-структурах. При атом пассивирующий слой I112S3 является фоточувствительным и участвует в формировании поверхностной фотоэдс ловушечной природы.

10. Химическая (сульфидная и фосфадная) и гетероэпитаксиальная (InGaP) пассивация поверхности GaAs приводят к уменьшению изгиба зон, эффективной плотности ПС вблизи с - зоны (на 1-2 порядка) н уменьшению скорости поверхностной рекомбинации, что свидетельствует о более совершенном строении такой поверхности. Показано, что гетероэпитаксЕМЛьная пассивация обусловлена образованием достаточно совершеЕтой гетерограницы п снижением рекомбинаци-011 них потоков носЕГгелей на поверхность барьером гетеросло4.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Карпович И.А., Бедный Б.И., Байдусь Н.В,, ГЬшсшна С.М., Степихова М.В., Шилова М.В. БарьерЕЕая фотопроводЕшость в эшггаксиальных плеЕаах GaAs и InP // ФТП. 1989. Т.23. В.12. С.2164-2170.

2. Карпович И.А., Бедный Б.И., Богданов Е.П., Байдусь Н.В. Малое игнальная поверхиостЕ1ая фотоэдс в GaAs // Поверхность. 1994 N8-9. С.25-32.

3. Бедный Б.И., Байдусь Н.В. Влияние рекомбинации в области пространственного заряда на люкс-вольтовые характеристики поверхностной фотоэдс в GaAs и InP// ФТП. 1993. Т.27. 8.7. С. 11251129.

4. Бедный Б.И., Карпович H.A., Байдусь Н.В., Болдырсвский П.Б., СтепаЕюв A.C., Федосеева Н.В. ФотопроводЕшость и конденсаторная фотозде в S -легировавших слоях GaAs // ФТП. 1991. Т.25. В.8. С. 1450-1453.

5. Карпович И.А., Алешкин ВЛ.; Аншон A.B., Байдусь Н.В., Батукова Л.М.,Звое1ков Б.Н., Планкина С.М. Фотоэлектронные явления

в слоях GaAs с встроенной на поверхности квантовой гетероямой // ФТП. 1992. Т.26. В.1. С.1886-1893.

6. Карпович H.A., Антон A.B., Байдусь Н.В., Батукова JI M., Данилов Ю.А., Звонков Б.Н., Планкина С.М. Применение размерно-квантовых структур для исследования дефектообразования на поверхности полупроводников// ФТП. 1994. Т.28. В.1. С.104-112.

7. Байдусь Н.В., Бедный Б.И., Карпович И.А., Руссу Е.В., Савинов А.Н. Влияние адсорбции металлов на потенциал поверхности р-1пР // Поверхность. 1989. N12. С.75-78.

8. Бедный Б.И., Карпович И. А., Байдусь Н.В. Влияние адсорбционных состояний на приповерхностный изгиб зон в n-InP //Поверхность. 1991. N1. С.94-97.

9. Бедный Б.И., Байдусь Н.В., Карпович И.А., Лаганина М.В., Цыпленхов И.Н., Щукин Р.Н. Электрофизические свойства окисленной поверхности фосфида индия // Поверхность. 1991. N12. С.47-50.

10. Бедный Б.И., Байдусь Н.В., Белич Т.В., Карпович H.A. Влияние сульфиддровання на состояние поверхности и фотоэлектрические свойства InP и GaAs // ФТП. 1992. Т.26. N8. С.1383-1390.

11. Бедный Б.И., Суслов Л.А., Байдусь Н.В., Карпович И.А. Электронное состояние поверхности InP, модифицированной обработкой в парах серы // ФТП. 1992. Т.26. В. И. С. 1983-1985.

12. Карпович H.A., Бедный Б.И., Байдусь Н.В., Батукова Л.М., Звонков Б.Н., Сгепихова М.В. Гетероэпитаксиальная пассивация поверхности GaAs // ФТП. 1993. Т.27. В.10. С.1736-1741.

13. Карпович И.А., Бедный Б.И., Байдусь Н.В., Планкина С.М., Сгепихова М.В., Шилова М.В. Барьерная фотопроводимость эпитаксиальных пленок InP и GaAs // Сб.: "Материалы I Всес. конф. "Физические основы твердотельной электроники". Ленинград. 1989. Т.В. С.258.

14. Карпович И.А., Бедный Б.И., Байдусь Н.В., Планкина С.М., Сгепихова М.В., Шилова М.В. Барьерные эффекты в фотоэлектронных явлениях в структурах па InP к GaAs // Сб.: "Материалы Всес. конф. "Фотозл. явления в полупроводниках". Ташкент. 1989. С.228.

15. Карпович И.А., Бедный Б.И., Байдусь Н.В., Болтьгр^кским П.Б.

Фотопроводимость и копденсаториая фотоэдс в 8-легированиых слоя* GaAs // Сб. "Материалы. Всес. конф. "Физика полупроводников". Киев. 1990.

16. Карпович И.А., Аншоп А.В., Байдусь Н.В., Батукова Л.М., Данилов Ю.А., Звонков Б.Н. Применение квантово-размерных структур для исследования дефектообразования при ионной имплантации. Материалы 11 конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью", М., 1993, Т.З, с.8-10.

17. Байдусь Н.В., Бедный Б.И., Данилов Ю.А. Влияние ионной имплантации на электронное состояние поверхности фосфида индия // Сб.: . "Материалы. X. Всес. конф. "Вз-е ионов с поверхностью". Москва. 1991. Т.З. С.123.

18. Baidus N.V., Bednyi B.I., Belich T.V. and Tetelbaum D.I. Longrang effect of ion irradiation on the system of defects in indium pboshide //Defect and Diffusion, v. 103-105. P.57-60.

19. Байдусь H.B., Бедный Б.И., Карпович И.А. Влияние адсорбции металлов на состояние поверхности р-InP // Сб. "Всес. конф. "Поверхность-89". 1989. Черноголовка. С.124.