Исследование распределения зарядов и электрических полей в приборных наноструктурах методами сканирующей зондовой микроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Алексеев Прохор Анатольевич

Исследование распределения зарядов и электрических полей в приборных наноструктурах методами сканирующей зондовой микроскопии

специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2013

1 7 ОКТ 2013

005535363

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», кафедра микро- и наноэлектроники.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, заведующий

лабораторией, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Титков Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, ведущий научный

сотрудник, Мировое Виктор Леонидович, Институт физики микроструктур Российской академии наук (ИФМРАН)

кандидат технических наук, Латпикова Наталья Михайловна, Центр микротехнолопш и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки «Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского казанского научного центра российской академии наук»

Защита состоится «7» ноября 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)».

Автореферат разослан « 2 » октября 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.04, доктор физико-математических наук

Мошников В.А.

Актуальность темы

В связи с быстрым уменьшением размеров приборов и устройств электроники в диапазон субмикронных и уже нано размеров существует нарастающая необходимость в изучении свойств современных материалов и приборных структур со столь же высоким латеральным разрешением. Этим требованиям хорошо отвечает применение высокочувствительных методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), обладающих возможностью исследования практически любых свойств поверхности с субмикронным латеральным разрешением [1]. В СЗМ методах изучаемые поверхности зондируются наноострыми зондами, что и определяет получение высокого разрешения.

Одним из важных направлений СЗМ является применение методов Кельвин-зонд микроскопии (КЗМ), детектирующих электростатическое взаимодействие между зондом и исследуемой поверхностью, которые позволяют получать информацию о распределении зарядов и электрических полей в материалах и приборных структурах, проясняющую особенности протекающих в них электронных процессов. К сожалению, недостаточное пространственное разрешение стандартного КЗМ метода довольно долго сдерживало его активное применение для изучения свойств субмикронных и нано структур. В стандартном методе КЗМ детектируется сила кулоновского взаимодействия зонда с поверхностью. Из-за дальнодействующего характера кулоновского взаимодействия во взаимодействии участвует не только острое окончание зонда, но и его боковые стенки и даже несущая острие консоль зонда. В результате, пространственное разрешение классического метода КЗМ редко бывает лучше 1 мкм. Разработка в последнее десятилетие градиентного метод КЗМ (ГКЗМ) привела к резкому повышению разрешения метода до 10-20 нм [2]. Повышенное разрешение градиентного ГКЗМ метода связано с тем, что в данном методе регистрируется градиент кулоновской силы в направлении перпендикулярном поверхности и его быстром спадании при удалении от поверхности. Это приводит к регистрации в методе взаимодействия поверхности преимущественно только с окончанием зонда.

Применение сочетания КЗМ и ГКЗМ методов позволяет эффективно и с большой детальностью исследовать свойства широкого спектра материалов и структур современной микро- и наноэлектроники. В качестве разнообразных целей исследований можно назвать изучение поведения зарядов в тонких диэлектрических слоях, являющихся функциональными вставками в различных транзисторах, включая транзисторы с эффектом памяти, определение распределений встроенных и внешних электрических полей в полупроводниковых светоизлучающих и приемных приборных структурах, выявление положений р-п и гетеропереходов в них, изучение поверхностных состояний и их подавления методами пассивации поверхности, а также новых объектов наноэлектроники, как например, полупроводниковых нанопроводов (НП) и приборных структур на их основе, и другое.

Цель диссертационной работы заключалась в развитии и применении методов сканирующей Кельвин-зонд микроскопии для исследования электрофизических свойств материалов и структур современной микро- и наноэлектроники, а именно: нанотонких слоев диэлектриков ЗЮг, 81зЫ4, ЬаЗсОз, гетероструктур на основе соединений СаАй, 1пАэ и близких к ним твёрдых растворах, а также СаАэ НП в целях оптимизации их применения в приборных разработках.

Для достижения целей работы решались следующие задачи:

• Исследование механизмов распространения и сохранения локально инжектированных зарядов в нанотонких слоях БЮг и Я1зЫ4 при различных температурах и

условиях. Определение параметров диффузии локально инжектированных носителей заряда. Разработка способа оценки количества локально инжектированных зарядов в диэлектрических слоях на основе КЗМ измерений.

• Исследование механизмов утечки зарядов в нанотонких слоях Ы^-к диэлектрика (е=33) ЬаЗсОз на 81 подложке и сопоставление с результатами исследований слоев БЮг и 81зК4. Определение степени влияния пограничного с подложкой 8ЮХ слоя, а также влияния толщины диэлектрических слоев на утечку зарядов.

• Изучение распределения встроенных и приложенных извне электрических полей в светодиодной гетероструктуре II типа ЬгАэЗЬРЛпАз с двухцветной люминесценцией.

• Изучение распределения встроенных и приложенных извне электрических полей в фотодиодной гетероструктуре ГпЛя/ ГпАэЗЬ/ ЬъАбЗЬР/ 1пЛя5Ь / ЬгАзБЬР для среднего ИК диапазона. Определение положения р-п и гетеропереходов с целью оптимизации параметров приборов на основе гетероструктуры.

• Изучение особенностей распределения поверхностного потенциала на поверхности скола (110) детекторной структуры п+- п"-р+ ОаАэ (100) при различных внешних условиях: внешнее напряжение, оптическое возбуждение. Определение положения электрических переходов. Исследование влияния химической нитридной пассивации в гидразин-содержащих растворах на распределение поверхностного потенциала.

• Исследование влияния поверхностной обработки на морфологию зеркал мощных АЮаАэ/СаЛз лазеров. Определение оптимальной процедуры обработки, позволяющей существенно повысить оптическую мощность лазеров.

• Разработка методик СЗМ исследований механических свойств и проводимости ОаАэ НП, сохраняющих ростовой контакт с подложкой. Определение модуля Юнга исследуемых ОэАб НП с целью создания стабильного электрического контакта с СЗМ. Изучение особенностей механизмов проводимости сильно и слаболегированных ОаАэ НП. Изучение влияния химической нитридной пассивации (в гидразин-содержащих растворах) и химической сульфидной пассивации (в растворах сульфида натрия) на проводимость ОэАб НП. Сопоставление эффективности и долговечности нитридной и сульфидной пассивации ваЛв нанопроводов.

• Исследование фотопроводимости ваЛв нанопроводов различных типов и уровней легирования. Определение основных факторов, влияющих на фотопроводимость.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• На примере структуры Ьа8сОз/51 с интерфейсным БЮХ слоем показана возможность одновременного исследования КЗМ методом поведения инжектированных зарядов в отдельных слоях многослойных диэлектрических наноструктур.

• Для диэлектрических слоев Ьа8сОз показано существенное подавление скорости латеральной диффузии в сравнении с классическими диэлектрическими слоями 8Юг и 81зК<|.

• Обнаружено накопление электронов на (110) ОаАэ поверхности детекторной структуры п+- п"-р+ ваАБ (100) в области п"-п+ перехода при приложении к структуре обратного смещения.

• Обнаружено накопление дырок на поверхности р+-ОаАз НП вблизи барьера Шоттки, вызывающее гистерезис вольт-амперных характеристик НП.

• Разработана СЗМ методика определения модуля Юнга нанопроводов, наклоннорастущих на подложке. Обнаружено в 2-3 раза меньшее значение модуля Юнга у изучавшихся ваАБ НП, по сравнению со значениями в объёмном ОаАв.

4

• Произведено сравнение эффективности и долговечности влияния химической нитридной и сульфидной пассивации на проводимость ваАв нанопроводов различных типов и уровней легирования. Показано превосходство по обоим параметрам нитридной пасивации.

• Исследована проводимость и фотопроводимость слаболегированных ОаАэ НП. Установлена определяющая роль поверхностных состояний в транспорте носителей заряда.

Научная и практическая значимость выполненной работы заключается в том, что автор с помощью КЗМ и ГКЗМ методов исследовал распределения зарядов и электрических полей в материалах и приборных наноструктурах различного рода и выявил новые данные, проясняющие их свойства и особенности функционирования создаваемых на их основе приборов. Представление о научной значимости выполненных исследований можно составить на основании приведенных выше новых результатов, полученных в работе.

Практическая значимость диссертационной работы выражена следующим образом:

• Определён оптимальный способ обработки поверхности зеркал мощных АЮаАзЛЗаАэ лазеров, позволяющий в 2 раза увеличить выходную оптическую мощность.

• Определено положение р-п перехода в фотодиодной гетероструктуре ¡пАв/ ГпАбБЬ/ ХпАвБЬР/ 1пАз8Ь / 1пАз8ЬР для среднего ИК диапазона, позволившее оптимизировать параметры фотодиода.

• Разработана методика определения модуля Юнга нанопроводов, наклоннорастущих на подложке. Для реализации методики требуется только один прибор -атомно-силовой микроскоп.

• Разработана СЗМ методика исследования проводимости химически пассивированных нанопроводов наклоннорастущих на подложке. Впервые произведена химическая нитридная пассивация ваАй НП. Стабильные и эффективные нитридные покрытия могут быть использованы для успешного применения ОаАэ НП в приборах оптоэлектроники.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) В многослойных диэлектрических наноструктурах методы сканирующей Кельвин зонд микроскопии позволяют независимо и одновременно для каждого диэлектрического слоя изучать латеральную диффузию и утечку в подложку локально инжектированных зарядов.

2) Скорость диффузии локально инжектированных зарядов в нанотонких Ы^-А диэлектрических слоях ЬаЗсОз, на кремниевой подложке на порядок меньше скорости диффузии инжектированных зарядов в слоях БЮг и Наличие на интерфейсе ЬаЯсОз/Б! переходного слоя 8¡О* значительно ускоряет утечку зарядов из слоя Ьа8сОз в подложку.

3) На боковой (110) поверхности п+-п'-р+ йаАБООО) структуры при приложении запирающего напряжения происходит накопление электронов в области п -п" перехода. Подобный эффект накопления зарядов на (110) поверхности р-ваАз нанопроводов вблизи Шоттки-контактов приводит к значительному изменению величины их проводимости и появлению гистерезиса вольт-амперных характеристик.

4) В слаболегированных ваАБ нанопроводах приповерхностная область пространственного заряда занимает весь их объём, в результате чего проводимость и фотопроводимость определяются скоростью поверхностной рекомбинации.

5) Химическая нитридная пассивация ОаАэ нанопроводов в гидразин-содержащих растворах (N2114) является более эффективной по сравнению с методиками сульфидной пассивации, обеспечивая большее увеличение проводимости ваЛв нанопроводов и более длительное время сохранения эффекта пассивации в атмосферных условиях.

Достоверность н надежность результатов. Достоверность результатов экспериментов

обеспечена продемонстрированной воспроизводимостью измерительных данных, а также сравнительным анализом полученных результатов с имеющимися теоретическими моделями и литературными данными.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XV международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011); на 18, 19 и 21 международных симпозиумах «NANOSTRUCTURES:PHYSICS AND TECHNOLOGY» (Санкт-Петербург, Екатеринбург, Санкт-Петербург, 2010, 2011 и 2013); на 23 , 24 и 25 Российских конференциях по электронной микроскопии, «РЭМ» (Черноголовка, 2011-2013); на конференциях по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада «Физика СПб» (Санкт Петербург, 2011, 2012); на международной зимней школе по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2011); на XXIV всероссийской конференции «Современная химическая физика» (Туапсе, 2012) и обсуждались на семинарах в ФТИ им. А. Ф. Иоффе и СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 научных работах, из них 9 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК.

Методы исследования. Все основные результаты получены на АСМ приборах NTEGRA AURA и NTEGRA SPECTRA отечественной фирмы НТ-МДТ.

Личный вклад автора заключался в выполнении экспериментальной части работы, а также участии в анализе и интерпретации полученных результатов и написании статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и библиографического списка из 132 наименований. Основной текст работы изложен на 160 страницах, включает в себя 3 таблицы и 66 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности, научной новизны и практической ценности работы, формулировку цели и задач исследования. Также изложены основные положения, выносимые на защиту, кратко описана структура диссертации.

В первой главе, носящей обзорный характер, описаны основные СЗМ методы исследования электрофизических свойств материалов и структур современной электроники. Рассмотрены контактный и полуконтактный способ получения топографии поверхности. Обсуждаются особенности измерения ВАХ с помощью СЗМ зонда. Подробно описаны особенности реализации КЗМ и ГКЗМ методов на основе амплитудной и частотной модуляции, и соответственно особенности измерения контактной разности потенциалов между СЗМ зондом и исследуемой поверхностью икрп.

Во второй главе приведены результаты исследований поведения локально инжектированных зарядов в нанотонких слоях диэлектриков Si02, Si3N4 и LaSc03. Слои были нанесены на Si подложку. Толщины слоев составляли: SÎ3N4 - 11 нм, Si02 - 20 нм, LaSc03 - 6, 12, 20 нм. Схема эксперимента по СЗМ исследованию поведения зарядов в нанотонких диэлектрических слоях представлена на Рис. 1. Первоначально осуществляется локальная зарядка слоя диэлектрика из приведенного в контакт с ним СЗМ зонда с одновременной подачей напряжения (Рис. 1 а). Площадь контакта зонда с поверхностью составляет несколько десятков квадратных нанометров. Последующая регистрация инжектированных в слой зарядов производится методом КЗМ. Визуализируемый таким методом заряд проявляется в виде локального изменения поверхностного потенциала (зарядового пятна, ЗП) на поверхности слоя диэлектрика (Рис. 1 б). В дальнейшем отслеживается эволюция ЗП во времени и соответственно распространение заряда в слое диэлектрика(Рис. 1 в, г). Когда скорость распространения

зарядов меньше скорости сканирования, то ЗП имеет форму круга, и профиль потенциала (Рис. 1 д), проведённый через центр пятна, несет в себе полную информацию о степени латерального распространения заряда и его возможной утечке в подложку.

а)

о о

Диэлектрик о

ООО

В) 10 мни

500 нм

I., мкм

Рис.1, а) Схема эксперимента по зарядке нанотонкого диэлектрического слоя, б), в) и г) Зарядовое пятно, полученное КЗМ методом, спустя 5, 10 и 25 минуты соответственно после зарядки 20 нм слоя 8Ю2 импульсом напряжения 5 Вольт длительностью 100 мсек д) соответствующие профили зарядовых пятен.

Из-за преимущественно диффузионного характера движения зарядов в плоскости слоя, распределение зарядов в пятне, а также детектируемое распределение поверхностного потенциала в пятне имеют Гауссов характер. При этом ширина на полувысоте Ь ЗП характеризует размеры заряженной области, которая обычно заметно превышает размеры начального контакта СЗМ зонда с поверхностью. Можно проинтегрировать изменение поверхностного потенциала по площади ЗП и получить количественную оценку полного числа инжектированных зарядов. Уменьшение ее величины во времени характеризует утечку зарядов из слоя. Таким образом, анализируя профили и форму ЗП можно изучать распространение зарядов в слое диэлектрика, уровень их сохранения и механизмы утечки.

Для оценки количества зарядов С>, инжектированных в слой, а также степени их сохранения в нём, в нашей работе было

е +1 ф0£2

получено выражение Q'

где ф0

600 800 1000 1200 I, сек

Рис.2 Зависимости квадрата полуширины ЗП от времени после зарядки слоев 8Ю2 и полученные при исследованиях в форвакууме. Для слоя 813Т\т4 приведены зависимости до и после шестимесячного хранения в атмосферных условиях.

4 а

- амплитуда зарядового пятна, е — диэлектрическая проницаемость слоя, <1 -толщина слоя. Расчёт показал, что в исследуемые слои 8Ю2 и 81зМ4 инжектировалось порядка 104 зарядов, при этом заряды сохраняются в слое диэлектрика на протяжении нескольких часов.

Для определения механизма латерального движения зарядов в слое, были построены графики зависимости уширения ЗП от времени Ь2(1). Измерения проводились в

форвакууме для высушивания поверхности диэлектрических слоев. Эксперименты в комнатных условиях показали, что присутствие на поверхности пленки влаги вызывает ускорение латеральной диффузии зарядов. На Рис.2 приведены соответствующие зависимости для слоев вЮг и 81зЫ4, причём для слоя 81зК4 до и после 6 месячного хранения в атмосферных условиях.

Линейный характер экспериментальных кривых (Ь~(1)~01) указывает на преобладание диффузионного механизма в распространении инжектированного заряда в слое диэлектрика на больших временах. По наклону линий изображённых на Рис.2, можно определить коэффициент диффузии, который составил 15=1.5« 10"11 см2/с для слоя БЮт и 0=0.2» 10"11 см /с для слоя 81зЫ4. Было обнаружено, что после выдержки в атмосферных условиях, коэффициент диффузии для слоя 81зЫ4 значительно увеличивается и достигает значений П(81зЫ4)=1.6'10"и см2/с. Обращает внимание сходство коэффициентов диффузии для относительно свежего 8Юг слоя и слоя 81з1Ч4 после атмосферного хранения. Возможным объяснением этому является дополнительное окисление поверхности слоя под действием атмосферной влаги до стадии БЮ*.

Как известно, зависимость коэффициента диффузии от температуры описывается

Еа

выражением Э = О0е кт, где Еа - энергия активации для процесса диффузии. С целью определения значений энергий активации латеральной диффузии зарядов в диэлектрических слоях БЮг и 51з1!ч[4, были произведены исследования в диапазоне температур 30 - 110°С.

На рис.3 представлены зависимости Ь2(Х) для слоя 81зК4, полученные при различных температурах. В противоречии с ожиданиями, увеличение температуры сначала вызывало замедление диффузии носителей заряда, и уже только потом наблюдалось ее ускорение (аналогичная ситуация наблюдалась и для слоёв 8Ю2 и ЬавсОз). Объяснение этой особенности состоит в том, что при комнатной температуре в достигавшемся вакууме р=10"5 Бар поверхностная пленка влаги становится значительно тоньше, но не исчезает полностью, а нагрев образца приводил к ее дальнейшему истощению, и соответственному уменьшению ее влияния на диффузию зарядов. Как видно из рис.3, влияние поверхностной влаги на латеральное распространение зарядов в условиях нашего эксперимента подавлялось при температуре около 50°С. Данные зависимостей на Рис.3, полученные при более высоких температурах, позволили определить значения энергии активации диффузии зарядов для исследуемых слоёв: Еа(8Ю2)=0.5эВ и Еа(81зК4)=0.25эВ.

Первые эксперименты по исследованию поведения зарядов в слоях ЬаБсОз привели к неожиданным наблюдениям. На рис.4 представлены профили ЗП, полученные при зарядке слоя ЬавсОз толщиной 12нм напряжением 8В в течение 10, 30 и 120 секунд, при температуре 30 °С. На рис. 4 можно видеть, что ЗП имеют сложную форму, не наблюдавшуюся для слоёв 8Ю2 и 81зЫ4. Ее можно описать суммой двух сцентрованных по месту зарядки контуров Гаусса. При этом «узкая» составляющая практически не зависит от времени зарядки, как по амплитуде, так и по ширине. В то же время увеличение времени зарядки приводит к увеличению амплитуды и ширины «широкой» составляющей ЗП. Сложный профиль и разное поведение составляющих

1, вес

Рис.3 Зависимость квадрата полуширины ЗП от времени после зарядки слоя полученные в условиях форвакуума при температурах 30-130 °С.

ЗП во времени указывают на одновременную зарядку каких-то двух соприкасающихся диэлектрических слоев.

0,08

0,06

о, и

а

0,02

Время зарядки / / !1 П -120 сек \ - - 30 сек \ ■ ■ • 10 сек \ -ваизв! \-Саизу2 ■ Ал V...........РЙ

Известно, что при нанесении тонких слоев Ьа8сОз на кремний происходит окисление поверхности кремния и образуется интерфейсный 8ЮХ слой (1Ь) [3]. В нашем случае одновременно наблюдается зарядка слоя ЬаЭсОз (узкая составляющая ЗП) и интерфейсного 8ЮХ (широкая составляющая ЗП) слоя на границе ЬавсОз/вь

На рис.5 представлены профили ЗП для трёх образцов с разной толщиной слоя Ьа8с03, полученные при температуре 50°С спустя 2мин и 10 мин после зарядки. Выбор температуры 50°С позволял минимизировать влияние

поверхностного слоя влаги.

Из рисунка видно, что профили ЗП и для этих исследовавшихся образцов имеют две составляющие: узкую и широкую. Причём с увеличением толщины слоя Ьа8сОз эффективность накопления и скорость разбегания заряда в интерфейсных слоях (широкая составляющая) вырастает. Увеличение скорости диффузии с увеличением толщины Ьа8с03, возможно связано с утолщением интерфейсного 8ЮХ слоя и соответственно уменьшением его сопротивления. Отметим, что в слоях Ьа8сОз различной толщины практически не происходит уширения ЗП (узкая составляющая).

4 5 6 Ь, мкм

Рис.4 Профили зарядовых пятен в 12 нм слое Ьа8с03. полученные при приложении напряжения 8 В в течение 10 с, 30 с, 120с.

468 10 02468 10

Ь, мкм Ь, мкм

Рис.5 Профили ЗП полученные при зарядке слоев Ьа8с03 при температуре 50°С спустя а) 2 минуты после зарядки б) 10 минут после зарядки

Проведение аналогичных исследований при температуре 110°С показало, что нагрев приводит к резкому уширению и исчезновению широкой составляющей ЗП. Для структуры с 6 нм слоем Ьа8с03 удалось выполнить оценку коэффициента диффузии и энергии активации для широкой составляющей, то есть для интерфейсного слоя. Процедура определения параметров диффузии была аналогична ранее изложенной для слоёв 8Юг и 813Ы4, полученные значения составили 0=10п см2/с (Т=50 °С), Еа=0,71эВ.

Важно обратить внимание на то, что узкие компоненты ЗП, обусловленные распределением инжектированных зарядов непосредственно в слое Л,а8сОз, практически, не уширяются со временем. Наблюдается лишь незначительное уширение при нагреве образцов до

110С. Скорость диффузии в исследовавшихся слоях ЬаЭсОз, по крайней мере, на порядок меньше чем в слоях 8Юз и 81зН4.

Наблюдение уменьшения амплитуд узких компонент ЗП во времени, однако, показывает, что во всех случаях имеет место уход зарядов из ЬаБсОз слоя сначала, скорее всего, в интерфейсный слой, а затем и в подложку.

Таким образом, в отношении нано тонких слоев Ы^-к диэлектрика ЬавсОз на подложке кремния был получен важный вывод об эффективном подавлении латеральной диффузии зарядов в таких слоях. Одновременно, был обнаружен необычный двухслойный характер пространственного распространения зарядов, связанный, с уходом носителей в интерфейсный слой на границе с подложкой, существующий в изучавшейся системе. В этом слое сравнительно высокая латеральная диффузия носителей и имеется заметная вероятность ухода носителей в подложку.

В третьей главе представлены результаты СЗМ исследований поверхности сколов приборных гетероструктур на основе соединений СаАв и МАв.

В первой части главы приведены результаты СЗМ исследований влияния различных поверхностных обработок на морфологию зеркал мощных импульсных полупроводниковых АЮаАэ/ОаАз лазеров. Обработка лазерных зеркал необходима, для удаления поверхностного оксида и соответственно поверхностных центров безызлучательной рекомбинации, ведущих к перегреву и деградации зеркал за счет поглощения высокоинтенсивного лазерного излучения.

Выполненные АСМ исследования топографии сколов лазерных ОаАв гетероструктур позволили выработать оптимальный режим обработки лазерных зеркал. Обработка граней Фабри-Перо резонатора, получаемых скалыванием, путем травления в плазме аргона и формирования покрытия с пассивирующими и блокирующими кислород слоями СаИ и 813К4 позволяет увеличить максимальную выходную оптическую мощность от 60 до 120 Вт.

Во второй части главы приведены результаты ГКЗМ исследований сколов структур п+ - п ~-р+ ОаАэ датчиков рентгеновского излучения. При создании датчиков рентгеновского излучения на основе ОаАв, для увеличения сбора неравновесных носителей заряда на электродах, создают структуры с расширенной областью пространственного заряда (ОПЗ). Одним из способов увеличения ОПЗ является диффузия хрома в п+ - п ~-р+ структуру со стороны р+ слоя. Для определения глубины перекомпенсации п" слоя акцепторным Сг, были выполнены ГКЗМ исследования на сколах (110), параллельных оси роста структур. На рис.6 представлены расчётные профили распределения примесей в исследуемой структуре, а также измеренные в работе распределения контактной разности потенциалов между зондом и поверхностью (икрп) на сколе структуры в темноте и освещении белым светом и соответствующий разностный сигнал (фотопотенциал=светло-темно).

п+ буфер п п ;Р+ в)

10--1 а) - о,б 1 б) 1 ' светло и 0,4 >

у«- \ ........—а к

г10'5- и ——^ §•„ , - . о о,0--\

I"'4 / 1 1-0.2- 1

80 70 60 50 40 30 20 10 0 'о 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Ь, мкм мкм мкм

Рис.6 Распределения в вдоль оси исследуемой структуры (а) примесей, б) икрп «светло» при внешней застветке и «темно» в темноте и в) поверхностного фотопотенциала.

Значение икрп в темноте на переходе от сильно легированной п подложки к п слою и далее к поверхностному р слою уменьшается, примерно на 0.2 В. Подобное уменьшение согласуется с известным отличием энергии закрепления уровня Ферми на окисленной поверхности (110) ОаАэ р и п типа. Вблизи перехода п"- р+ уменьшение поверхностного потенциала размыто на протяжении 10 — 15 мкм, что естественно объяснить проявлением нарастающей степени компенсации п" слоя акцепторной примесью Сг. Дополнительная информация о состоянии примесей в изучавшейся структуре была получена при анализе распределения фотопотенциала на поверхности. Отрицательная величина фотопотенциала для освещенной поверхности указывает на р-тип легирования области, а положительная на п- тип. Положение места изменения знака фотопотенциала показало, что диффузия хрома привела к сдвигу границы р-п перехода на 4 мкм вглубь п-слоя по сравнению с положением изначальной эпитаксиальной границы р и п слоев.

Проводя детальные исследования распределений приложенного обратного напряжения было обнаружено, что эти распределения могут существенно изменяться во времени на протяжении участков поверхности в несколько десятков микрон (рис.7а). Изменение распределений состоит в постепенном уменьшении падения напряжения на п" - р+ переходе и появлении значительного падения напряжения на п+-п" переходе. Медленный характер изменения распределений, указывает на поверхностную природу наблюдаемого процесса.

0,0 -0,5 СО -1.0 В -1.5 §■-2,0 ¡3 -2,5 -3.0

ч л л>

4 — - - \

4 >, \

4 1

\ 1

- 2 мин 1

- - 30 мин V.

1 час....................2 час

еаоло

10 20 30 40 50 60 70 80 Ь, мкм

0,0 -0,5 =0-1,0

а-2,0 Э-2,5 -3,0

~ лв)

1 1

-_ темно |

- светло 2 мин

1 — светло 4 мин

0 10 20 31

I

40 50 60 70 80 мкм

10 20 30 40 50 60 70 80 Ъ, мкм

Рис.7 Перераспределение икрп в различных условиях (а) при приложении обратного смещения -ЗВ к р контакту б) последующем заземлении обоих п+ и р+ контактов в) освещении при обратном смещении -ЗВ.

Поверхностная природа эффекта была подтверждена при наблюдении поведения распределения потенциалов на поверхности структуры сразу после снятия обратного напряжения и заземления структуры. На рис. 7 б) можно видеть появление в области п+-п" перехода отрицательного «пичка» напряжения, который со временем рассасывается. Отметим, что при наблюдениях на изначально заземленных структурах (рис. 66) подобные «пички» никогда не возникали. Ещё одним подтверждением поверхностной природы наблюдаемого эффекта являются результаты наблюдений изменения распределения поверхностного потенциала для структуры с приложенным обратным смещением при последующем освещении поверхности светом, вызывающим межзонные переходы в структуре (рис. 7в). Как хорошо видно, освещение поверхности белым светом приводит к падению приложенного напряжения в области р+- п" перехода. Сделанные наблюдения приводят к выводу, что при приложении к структуре обратного смещения в поверхностном оксиде происходит накопление отрицательного заряда в области п+-п" перехода.

Таким образом, применение метода ГКЗМ позволило определить смещенное положение р-п перехода после диффузии хрома в ОаАв детекторную структуру. Было показано, что распределение внешнего обратного напряжения на (110) поверхности скола вдоль оси роста ОаАв п+ - п" - р+ детекторной структуры может значительно отличаться от распределения в ее

объёме. В приповерхностной области основная часть обратного напряжения падает на п -п" переходе, в объёме структуры - на п~-р+ переходе, отличие вызвано накоплением на поверхности электронов в области п+-п перехода при приложении запирающего напряжения.

В третьей и четвёртой частях главы изложены результаты КЗМ исследований ИК фотодиодных и светодиодных гетероструктур на основе 1пАэ и родственных соединений. Определены положения р-п и гетеропереходов в 1пАэ/ 1пАз8Ь/ ¡пАэЗЬР/ ЬтАвЗЬ / ЬгАзБЬР структуре, что в дальнейшем позволило оптимизировать параметры ИК-фотодиодов. Изучены особенности распределения Т_Гкрп при приложении внешних прямых смещений к двухцветной ЬгАзЗЬРЛпАэ светодиодной гетероструктуре. Зарегистрировано перераспределение носителей заряда в области р-п перехода и гетерограницы II типа, приводящее к электролюминесценции на двух длинах волн.

Четвертая глава посвящена результатам исследований электрофизических свойств ОаАэ нанопроводов, а именно: отличий проводимости не легированных и сильно легированных НП в темноте и при межзонном оптическом возбуждении, роли поверхностных состояний, возможности пассивации последних химическими методами.

ОаАэ НП были выращены на п+-ОаАз (111)В подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксии по механизму пар-жидкость-кристалл. Рост НП происходил преимущественно в направлении (111)В (рис. 8). При этом боковая поверхность НП была огранена плоскостями (110) [4]. На СЭМ изображении на рис. 12 также видно, что некоторые НП росли вдоль направлении (111)А наклонно к подложке под углом 19°.

" ' ЭК ¡¡ВвШяшЗНИ Исследовались специально нелегированные НП с фоновой

примесью п-типа на уровне п = 10исм"3 и легированные ■ЯвЯЙНкЭЁяж Ш бериллием р+=51018 см"3 разных диаметров: (1=90-160 нм.

■ ■ ■ Длина НП составляла 1.2-2.5 мкм. Уровень легирования подложки составлял п+= 1018 см"3.

2 . иг I В первой части главы, представлены результаты ГКЗМ

исследований НП, перенесенных с ростовой подложки на

мш изолирующую поверхность вЮг/в! с подведенными к Рис.8 СЭМ изображение массива ,

ваАз НП окончаниям НП электрическими контактами. К сожалению,

получение омических контактов было затруднительно и, как правило, один или оба контакта имели выпрямляющий характер. Это, однако, позволило сделать важное наблюдение. На рис.9 видно, что приложенное к ваАв НП внешнее напряжение первоначально равномерно падает вдоль НП, но имеет резкий скачок у одного из контактов, что указывает на формирование здесь Шоттки контакта. Однако, со временем, имеет место перераспределение напряжения вдоль НП, а после снятия внешнего напряжения на поверхности НП остается избыточный потенциал, преимущественно со стороны Шоттки контакта. Затем со временем этот потенциал рассасывается.

-.-I-.-■-.-I-,-.---и,1 ---1-•-1-'-<-—-1-.-

0 500 1000 1500 2000 2500 0 500 1000 1500 2000 2500

Ь, нм Ь, нм

Рис.9 а) Профили распределений приложенного напряжения вдоль СаЛз НП, полученные через разные интервалы времени после приложения напряжения б) Спадание во времени профилей наведенного потенциала на поверхности СэАб НП после снятия ранее приложенного напряжения.

СЗМ зонд

СяА5 изнопровол

Изменение со временем измеряемых профилей напряжений связано с накоплением заряда на боковой окисленной поверхности ОаАБ-НП. Наблюдаемая ситуация оказывается аналогичной ситуации, обнаруженной выше в Главе 3 для ОаАэ датчиков рентгеновского излучения. Однако, имеется сильное отличие в последствиях. Если для объемных датчиков накопление заряда на поверхности не оказывало заметного влияния на их работу, то в случае НП происходило существенное изменение вольт-амперных характеристик (ВАХ) НП, а именно: 1) развитие во времени заметного гистерезиса ВАХ и 2) нестандартный вид ВАХ с насыщением прямых веток при увеличении протекающего тока Похожие эффекты наблюдались и для нелегированных НП.

Вторая часть главы посвящена исследованию транспортных свойств и эффектов химической пассивации ОаАз НП. Химическая пассивация осуществляется путем погружения ростовой подложки с НП на ней в специальные растворы. Процедуры последующего перенесения для электрических измерений пассивированных НП на изолирующие подложки и формирования электрических контактов нарушают пассивирующие покрытия. Поэтому эффекты пассивации могут изучаться только на НП на ростовой подложке. Здесь возникает проблема получения устойчивого электрического контакта к верхнему свободному окончанию НП. Такой контакт, оказалось, можно реализовать в случае наклонно растущих НП. На рис. 10 представлена предложенная схема СЗМ эксперимента по измерению ВАХ НП, которая обеспечивает стабильный электрический контакт: боковая грань пирамиды острия СЗМ зонда прижимается к окончанию НП с определенной силой, увеличивая площадь контакта.

Предложенный способ требовал оценки механической прочности ОэАб НП наклоннорастущих на подложке. Были выполнены исследования по изгибу ОаАз НП зондом СЗМ вплоть до скалывания НП. Было установлено, что модуль Юнга исследовавшихся НП в 23 раза меньше модуля Юнга объёмного ваАэ, что позволило определить степень изгиба НП, достаточную для получения стабильного контакт с СЗМ зондом без разрушения НП.

СЗаАа нод.-тжкн

Рис.10 Схема получению ВАХ

СЗМ эксперимента

500 400 300 200 100 0

— Оксид

■ Б -пассивация «"и N - пассивация

100

■ Оксид

■ 8-пассивация « М-пассивация

-10

0

и, В

10

8 910

Рис.11 ВАХ полученные с помощью СЗМ зонда для непассивированного, сульфидированного и нитридизированного наклоннорастущего НП диаметром 100 нм. б) Прямые ветви ВАХ построенные в двойных логарифмических осях.

Измерение ВАХ на наклоннорастущих СаАэ НП с помощью СЗМ зонда позволяет получать информацию о транспортных свойствах как непассивированных, так и пассивированных НП. Исследовались два типа пассивации: сульфидная в растворах сульфида натрия №28*(9Н20), и нитридная в гидразинсодержащих растворах М2Н4:1ЬО+0.01М N338.

На рис. 11 представлены ВАХ непассивированного, сульфидированного и нитридизованного п" - ваАв НП диаметром 100 нм, растущих на п ваАэ подложке. Из рис. 11 а) следует, что пассивация приводит к значительному увеличению тока протекающего через НП, причём нитридная пассивация приводит к большему увеличению, чем сульфидная. Также видно, что ВАХ имеет выпрямляющий характер. Для анализа влияния пассивации на проводимость НП, рассмотрим прямые ветви ВАХ (0-10В на зонде). При небольших прямых смещениях (< 2 В), определяющим фактором является влияние п+ - п барьера подложка-НП. Однако с увеличением прямого смещения барьер снижается, и ход ВАХ уже обуславливается механизмами токопротекания непосредственно в НП. Можно заметить, что ВАХ имеют степенной вид и для удобства интерпретации прямые ветви ВАХ построены в двойных логарифмических осях (рис. 11 б). В диапазоне напряжений 2-6 Вольт ВАХ имеют степенной вид с различными показателями степени а, отклонение от степенного закона при больших напряжениях обусловлено последовательным сопротивлением СЗМ зонда (10 -30 МОм).

Поскольку ток зависит от напряжения по степенному закону (^и" а=1+Тс/Т, где Тс -температура, характеризующая ширину энергетического распределения поверхностных состояний), то для дальнейшего анализа применим модель для токов ограниченных пространственным зарядом [5,6]. Подобная модель хорошо описывает процессы токопротекания, при которых количество инжектированных из контактов носителей заряда превышает собственную концентрацию. Такая ситуация характерна для диэлектриков и слаболегированных полупроводников. Причём, а=2 если не происходит захвата инжектированных носителей на ловушки в объёме или на поверхности. Из графика (рис. 11 б) следует, что пассивация приводит к снижению показателя степени а, характеризующего энергетическое распределение поверхностных состояний. Статистическая обработка результатов нескольких десятков измерений НП различного диаметра показала что, значение а для непассивированных НП составляет 4±1, для сульфидированных - 3.2±0.4, нитридизированных 2.4±0.4. Отметим, что после нитридной пассивации а~2, что говорит о существенном снижении влияния поверхностных состояний на проводимость. Таким образом, увеличение проводимости и уменьшение коэффициента а, в п'-СаАэ НП после сульфидной и ещё большее после нитридной пассивации связано со значительным уменьшением плотности поверхностных состояний и уменьшением ширины их энергетического спектра.

Важным параметром является стабильность пассивирующего покрытия при длительном хранении в атмосферных условиях. С целью проверки временной стабильности нитридного и сульфидного покрытия спустя полгода после проведения пассивации были выполнены повторные исследования. Исследования показали, что сульфидное покрытие полностью деградировало и коэффициент а достигал значений соответствующих непассивированным НП (а=4). Нитридное покрытие практически не деградирует, что подтверждается незначительным увеличением а=2.6±0.4, против 2.4±0.4 для случая «свежих» образцов.

Аналогичные исследования проводимости р+-ОаАз НП не выявили степенной зависимости ВАХ, что указывало на наличие в НП необеднённого носителями канала проводимости. К сожалению, сравнение проводимости пассивированных и непассивированных НП было затруднено, поскольку последовательное сопротивление СЗМ зонда оказалось больше

сопротивления НП.

600 800 1000 Длина волны, нм Рис.12 Спектры фотопроводимости ОаАэ п-НП диаметрами 90 и 130 нм с покрытием и без него.

В заключительной части главы представлены результаты исследований фотопроводимости (ФП) GaAs НП. Были проведены исследования ФП

индивидуальных НП GaAs, осаждённых на подложки SiCb/Si с электрическими контактами к концам НП. Исследовались спектры ФП (300 К) НП различного диаметра, а также зависимость ФП от интенсивности фотовозбуждения и покрытия защитным слоем SiOx.

На рис. 12 приведены спектры ФП (300 К) НП GaAs. На спектрах наблюдается порог вблизи X = 850 •*• 900 нм, соответствующей ширине запрещенной зоны GaAs Eg ~ 1,41 эВ (300 К). Естественно связать ФП исследуемой структуры в спектральной области X < 900 нм с межзонным оптическим поглощением в НП GaAs.

Также в спектрах ФП наблюдается второй порог в области X = 1000 + 1150 нм с краем, соответствующим ширине запрещенной зоны Si Eg » 1,11 эВ (300 К). Появление этого порога следует, очевидно, связать с влиянием изменения потенциала поверхности подложки SiCVSi, в результате собственного оптического поглощения в Si (поверхностной фотоЭДС). Отсюда следует, что потенциал поверхности подложки SiOj/Si выполняет роль активного затвора в полевом транзисторе на базе НП на SiOa/Si. Влияние этого потенциала может подавляться под действием оптического поглощения в Si.

На рис. 13 приведены зависимости сопротивления НП GaAs R от мощности фотовозбуждения Р при возбуждении лазерами с длинами волн излучения X = 473 нм, 632 нм и

785 нм. В слаболегированных НП приповерхностная ОПЗ занимает весь объём НП, и фотогенерируемые носители заряда выталкиваются на поверхность НП и рекомбинируют [7]. Поэтому, скорость поверхностной рекомбинации (Sr) в значительной степени влияет на фотопроводимость слаболегированных НП. На основе уравнения непрерывности было выведено выражение, позволяющее оценить скорость поверхностной рекомбинации

S 10'

10"

10

н о о. с

о

U

10

ч. , t ■ >- = 473 нм

* X= 632 нм"

V ^^v * х = 785 нм

\s *

10"

ю4

10 10 10 Мощность, мкВт

Рис.13 Экспериментальные и расчётные(сплошные линии) зависимости сопротивления НП с БЮ* покрытием от мощности лазерного излучения для трёх длин волн.

Sr =

7iea0[ilar' R

Те

где /о-интенсивность, ао -

коэффициент поглощения, /л - подвижность, 1 - длина НП, г - радиус НП. Исходя из экспериментальных данных (Рис.13) была оценена скорость поверхностной рекомбинации в ОаАв НП с вЮх покрытием, которая составила ~ 105 см-с~\ что согласуется с известными

литературными данными для границы Si02/GaAs[8], На рис. 13 так же приведены расчётные зависимости R{P) для соответствующих длин волн. Качественно экспериментальные зависимости R(P) согласуются с расчётными, однако наклон экспериментальных кривых несколько меньше, чем у расчётных. Количественное согласие расчёта и эксперимента лучше при низких уровнях фотовозбуждения. Расхождение экспериментальных и расчётных зависимостей R(P) в области сильного фотовозбуждения может быть связано с увеличением скорости объёмной рекомбинации избыточных носителей в НП при высоких уровнях фотовозбуждения, когда поверхностный барьер спрямляется. Сдвиг зависимостей R(P) для различных значений X относительно друг друга по оси ординат обусловлен различием ао для различных длин волн.

В заключении приводятся основные результаты работы:

1. Методы Кельвин-зонд микроскопии позволяют одновременно и независимо исследовать латеральную диффузию и туннелирование в подложку локально инжектированных зарядов в отдельных слоях многослойных диэлектрических наноструктур.

2. Для слоев SiCh, S13N4 и LaScCb на подложке Si были изучены механизмы транспорта локально инжектированных зарядов и определены параметры латеральной диффузии зарядов.

3. Скорость диффузии локально инжектированных зарядов в нанотонких high-к диэлектрических слоях ЬаБсОз, на кремниевой подложке на порядок меньше скорости диффузии инжектированных зарядов в слоях SiCb и Si3N4. Наличие на интерфейсе LaScCb/Si переходного слоя SiOx значительно ускоряет утечку зарядов из слоя LaScCh в Si подложку.

4. Для получения корректных данных о поведении локальных зарядов в однослойных и многослойных диэлектрических наноструктурах методами КЗМ исследования должны проводиться в условиях нейтрализующих влияние поверхностной водной плёнки.

5. Для нано тонких слоев Si3N4 на подложке кремния было обнаружено ускорение латеральной диффузии зарядов после длительного хранения слоев в атмосферных условиях. Обнаруженный эффект связывается с частичным окислением слоя.

6. Обнаружен эффект накопления электронов на поверхности скола структуры п+ -п" -р+ GaAs(llO) вблизи выхода на поверхность перехода п+-п" при приложении к структуре запирающего напряжения. Наблюдалось накопление электронов, приводящее к, практически, полному экранированию приложенного поля на п" и р+ участках поверхности. Найденное накопление электронов на поверхности связывается с отсутствием поверхностной проводимости по полностью заполненным состояниям на п участке поверхности.

7. Выполнены исследования распределений встроенных и приложенных извне электрических полей в фотодиодах и светодиодах для средней ИК области спектра на основе полупроводниковых гетероструктур в системе InAs и близких твердых растворов. Результаты исследований позволили получить информацию о реально реализуемом распределении электрических полей и способствовали оптимизации свойств создаваемых приборов.

8. Выполнены АСМ исследования морфологии и шероховатости нанометрового диапазона зеркал мощных полупроводниковых лазеров на основе GaAlAs/GaAs гетероструктур, подвергнутых различной поверхностной обработке. Выбор оптимальной процедуры обработки (плазме аргона +плазма a30Ta+Si3N4) позволил увеличить выходную оптическую мощность в 2 раза до 120 Вт в непрерывном режиме.

9. Обнаружено накопление дырок на (110) поверхности GaAs НП в области Шоттки барьера при приложении запирающего напряжения. Аккумулируемый заряд приводит к изменению высоты барьера контакт-НП и возникновению гистерезиса ВАХ.

10. Разработана СЗМ методика измерения модуля Юнга GaAs НП, сохраняющих контакт с ростовой подложкой. Измеренные для изучавшихся НП значения оказались в 2-3 раза меньше значений модуля Юнга объёмного GaAs. Обнаруженные отличия связываются с наличием дефектов упаковки в исследуемых нанопроводах

И. Разработан способ СЗМ измерений влияния пассивации поверхности на электрофизические свойства GaAs НП, сохраняющих ростовой контакт с подложкой.

12. Применена новая нитридная пассивация в гидразин содержащих растворах, которая оказалась более эффективной, чем известные методики сульфидной пассивации. При нитридной пассивации наблюдалось более сильное увеличение проводимости нанопроводов и долгое (более 6 месяцев) сохранение эффекта при хранении образцов в атмосферных условиях.

13. Увеличение проводимости сильнолегированных НП после пассивации обусловлено происходящим увеличением диаметра проводящего канала в НП. Пассивация слаболегированных НП, не создаёт канала проводимости, необеднённого носителями заряда, и увеличение проводимости обусловлено снижением плотности поверхностных состояний, на которые захватываются инжектированные из контактов носители заряда.

14. Фотопроводимость сильнолегированных GaAs НП обусловлена расширением канала проводимости в НП, тогда как фотопроводимость НП, обеднённых носителями заряда, определяется снижением скорости поверхностной рекомбинации фотовозбуджённых носителей на поверхности НП.

15. Обнаружен эффект изменения проводимости GaAs НП на Si02/Si подложке при фотовозбуждении в спектральной области собственного поглощения Si. Эффект объясняется изменением поверхностного потенциала подложки Si02/Si при освещении. Отсюда следует, что подложка Si02/Si может играть роль управляющего затвора в транзисторе GaAs НП/ Si02/Si.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Импульсные полупроводниковые лазеры с повышенной оптической прочностью выходных зеркал резонатора / Петрунов А.Н., Подоскин A.A., Шашкин И.С., Слипченко С.О., Пихтин H.A., Налет Т.А., Фетисова Н.В., Вавилова Л.С., Лютецкий A.B., Алексеев П.А., Титков А.Н., Тарасов И.С. // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т. 44, Вып. 6. - С. 817-821.

2. Фотодиоды с расширенным спектральным диапазоном 1.5-4.8 mum на основе гетероструктур InAs/InAs0.88Sb0.12/InAsSbP, работающие при комнатной температуре / Старостенко Д.А., Шерстнев В.В., Алексеев П.А., Андреев И.А., Ильинская Н.Д., Коновалов Г.Г., Серебренникова О.Ю., Яковлев Ю.П. // Письма в журнал технической физики. - 2011. - Т. 37,Вып.19. - С. 95-103.

3. Kelvin probe force gradient microscopy of charge dissipation in nano thin dielectric layers (Градиентная Кельвин-зонд микроскопия распространения зарядов в нанотонких диэлектрических слоях) / Dunaevskiy M.S., Alekseev P.A., Girard P., Lahderanta E., Lashkul A., Titkov A.N. // Journal of Applied Physics. - 2011. - V. 110. - P. 084304.

4. Analysis of the lateral resolution of electrostatic force gradient microscopy (Анализ латерального разрешения электростатической силовой микроскопии) / Dunaevskiy M., Alekseev P., Girard P., Lashkul A., Lahderanta E„ Titkov A// Journal of Applied Physics. - 2012. - V. 112. -P. 064112.

5. Определение модуля Юнга нанопроводов GaAs, наклонно растущих на подложке / Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Стовпяга A.B., Lepsa M, Титков А.Н. // Физика и техника

полупроводников. - 2012. - Т. 46, Вып. 5. - С. 659-664.

6. Накопление заряда на поверхности GaAs нанопроводов вблизи контакта Шоттки/ Дунаевский М.С., Алексеев П.А., Lepsa M.I., Gruetzmacher D. Титков А.Н., // Письма в журнал технической физики. - 2013. - Т. 39,Вып.4. - С. 53-60.

7. Двухцветная люминесценция в одиночной гетероструктуре II типа InAsSbP/InAs / Григорьев М.М., Алексеев П.А., Иванов Э.В., Моисеев К.Д.// Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47, Вып. 1. - С. 30-35.

8. Поведение локально инжектированных зарядов в нанотонких слоях high-k диэлеюрика LaScCb на подложке Si/ Алексеев П.А., Дунаевский MC., Гущина Е.В., Durgun-Ozben Е., Lahderanta Е., Титков А.НУ/Письма в журнал технической физики. - 2013. - Т. 39,Вып.9. - С. 47-55.

9. Фотопроводимость нитевидных нанокристаллов GaAs/Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Марычев М.О., Нежданов A.B., Lepsa M.I., Gruetzmacher D. Титков А.Н.// Вестник Нижегородского университета- 2013. - Т. 2, Вып. 2. - С. 39-44.

Материалы конференций

Перечислены наиболее важные

1. Электростатическая силовая микроскопия распределения электрических полей в датчиках рентгеновского излучения на основе арсенида галлия, легированного хромом /Алексеев П.А.// "Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов в области нанотехнологий и наноматериалов". Сборник студенческих научных работ. Москва: НИЯУ МИФИ, 2010, с. 307-313

2. Наблюдение эффектов дрейфа и аккумуляции электронов на поверхности n-GaAs методом Кельвин-зонд микроскопии в градиентной моде/ Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Титков А.Н..// Нанофизика и наноэлектроника. Труды XV международного симпозиума 14-18 марта 2011 года. Нижний Новгород.: изд-во ИПФ РАН, 2011, том 2, с.556-557.

3. Effect of surface passivation on the conductivity of unintentionally doped GaAs nanowires (Влияние пассивации поверхности на проводимость слаболегированных GaAs нанопроводов) / Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Львова Т.В., Улин В.П., Lepsa M.I., Gruetzmacher D., Титков А.Н. // NANOSTRUCTURES:PHYSICS AND TECHNOLOGY 21th International Symposium Saint-Petersburg, Russia, June 24-28,2013 proceedings. СПб: Изд-во СПбАУ РАН, 2013, с.210-212

Список литературы:

1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород: ИФМРАН, 2004

2. Girard P., Titkov A.N., (ed. Bhushan В., Fuchs Н.). Applied Scanning Probe methods II, Springer, Heidelberg, 2006, pp. 283-320.

3. Lopes J.M.J., Littmark U„ Roeckerath M., et. alII Jour. Appl. Phys. 101, 104109 (2007).

4. Rieger Т., Heiderich S., Lenk S., et al.// J. Cryst. Growth. 353, 39-46 (2012)

5. Schricker A.D., Davidson F.M., Wiacek R.J.//Nanotechnology 17 2681-2688 (2006)

6. Rose A.// Physical Review, 97, p 1538 (1955)

7. Demichel O., Heiss M., Bleuse J., et al.// Appl. Phys. Lett. 97,201907 (2010)

8. Карпович И. А., Степихова M. В. // ФТП. 32. 182-186 (1998)

Подписано в печать 25.09.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 99.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)

На правах рукописи

04201365890 АЛЕКСЕЕВ Прохор Анатольевич

Исследование распределения зарядов и электрических полей в приборных наноструктурах методами сканирующей зондовой микроскопии

специальность 01.04.10 - физика полупроводников

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, профессор ТИТКОВ А.Н.

Санкт-Петербург -2013

Содержание

Содержание...............................................................................................................2

Список используемых обозначений и сокращений..............................................3

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

Глава 1 Сканирующая зондовая микроскопия - как метод исследования свойств приборных наноструктур........................................................................13

1.1 Виды сканирующей зондовой микроскопии..............................................13

1.2 Исследование топографии поверхности.....................................................14

1.3 Особенности СЗМ зондов................................................................................17

1.4 Исследование механических свойств.............................................................20

1.5 Измерение тока.................................................................................................22

1.6. Электросиловые методы ССМ.......................................................................24

1.7 Кельвин-зонд микроскопия (КЗМ).................................................................27

1.8 Градиентная Кельвин-зонд микроскопия (ГКЗМ)........................................30

Глава 2 Исследование поведения зарядов в нанотонких диэлектрических слоях методами Кельвин зонд микроскопии.....................................................................36

2.1 Введение............................................................................................................36

2.2 Объект и метод исследования.........................................................................40

2.3 Сопоставительный анализ распространения зарядов в слоях 8Ю2 и 813М442

2.4 Поведение зарядов в нанотонких слоях Ьа8с03...........................................56

2.5 Выводы..............................................................................................................61

Глава 3 Исследование распределения поверхностного потенциала на сколах приборных гетероструктур на основе соединений А3В5.......................................63

3.1 Введение............................................................................................................63

3.2 Исследование морфологии зеркал лазерных гетероструктур на основе ОаАв/АКЗаАв...........................................................................................................67

3.3 ГКЗМ исследования поверхности сколов п+ - п" - р+ ваАБ структур.........73

3.4 КЗМ исследование фото диодной 1пА5/1пАз0.888Ьол2/1пАз8ЬР структуры ..87

3.5 ГКЗМ исследование светодиодной гетероструктуры II типа ¡пА^ЬРЯпАз с двухцветной люминесценцией...........................................................................93

3.6 Выводы..............................................................................................................99

Глава 4 СЗМ исследование электрофизических свойств ОаАв нанопроводов .101

4.1 Введение..........................................................................................................101

4.2 Описание образцов.........................................................................................104

4.3 ГКЗМ исследование СаАэ НП с металлическими контактами.................106

4.4 Особенности измерения В АХ НП с помощью СЗМ зонда........................112

4.5 СЗМ иследование проводимости ваАэ НП.................................................119

4.6 Фотопроводимость ОаАэ НП........................................................................131

4.7 Выводы............................................................................................................140

Заключение............................................................................................................142

Список литературы...............................................................................................149

Список используемых обозначений и сокращений

AM - амплитудная модуляция.

АСМ - атомно-силовая микроскопия (или в контексте атомно-силовой

микроскоп). БУЭ - блок управляющей электроники.

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия (или в контексте сканирующий зондовый микроскоп.

ГКЗМ - градиентная Кельвин-зонд микроскопия.

ЖФЭ - жидкофазная эпитаксия.

ЗП - зарядовое пятно.

КЗМ - Кельвин-зонд микроскопия.

КРП - контактная разность потенциалов.

НК - нанокристалл.

НП - нанопровод.

НЧ - наночастица.

ОПЗ - область пространственного заряда.

ПЭМ - просвечивающая электронная растровая микроскопия (или в контексте просвечивающий электронный микроскоп). ССМ - сканирующая силовая микроскопия.

СЭМ - сканирующая электронная растровая микроскопия (или в контексте сканирующий электронный микроскоп). УНТ - углеродная нанотрубка. ФП - фотопроводимость.

Все единицы измерения соответствуют международной системе единиц (СИ). Для удобства используются стандартные приставки типа: н - нано, мк - микро, м - мили и т.д. В обозначении химических элементов и соединений использовались латинские буквы, соответствующие обозначениям в таблице Менделеева.

Введение

В последние десятилетия происходит быстрая трансформация приборов и устройств электроники в диапазон субмикронных и уже нано размеров. В этой связи существует нарастающая необходимость в изучении свойств современных материалов и приборных структур со столь же высоким латеральным разрешением.

Весьма удачно, что в эти же годы имеет место интенсивное развитие и применение широкого спектра высокочувствительных, обладающих высоким латеральным разрешением методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ)[1]. В СЗМ методах изучаемые поверхности сканируются наноострыми зондами, что и определяет получение высокого разрешения. Идеи методов состоят в детектировании сил взаимодействия зонда с изучаемой поверхностью при нано близком расположении зонда относительно поверхности. При этом могут детектироваться и изучаться силы взаимодействия различной природы: механические, электростатические, магнитные и др., что открывает прямой доступ к изучению, практически, всех свойств изучаемых объектов.

В настоящей работе были выполнены исследования по дальнейшему совершенствованию некоторых методов СЗМ и их применению к изучению современных материалов и структур микро и наноэлектроники. Прежде всего, был развит и применен метод Градиентной Кельвин Зонд Микроскопии (ГКЗМ) для изучения распределений зарядов и полей в материалах и приборных структурах с латеральным разрешением до 10 нм. Предложены СЗМ методики для исследования механических и электрических свойств полупроводниковых нанопроводов, сохраняющих ростовой контакт с подложкой. Определены оптимальные условия проведения таких исследований, позволяющие избегать получения артефактов в СЗМ изображениях.

В ходе выполнения работы были получены новые важные сведения о

поведении локальных зарядов в нанотонких диэлектрических слоях 8Ю2, 813М4

и ^Ъ-А; диэлектрика ЬаБсОз, служащих подзатворными диэлектриками в МДП

4

транзисторах, о поведении зарядов на поверхности сколов эпитаксиальных слоев приборных ОаАэ структур под действием внешнего напряжения, о распределении напряжений в фотодиодах на основе узкозонных слоев ¡пАбБЬР и о механических и транспортных свойствах ОэАб нанопроводов (НП) со свободной поверхностью и поверхностью, защищенной различными пассивирующими покрытиями.

Цель диссертационной работы заключалась в развитии и применении методов сканирующей Кельвин-зонд микроскопии (КЗМ) для исследования электрофизических свойств материалов и структур современной микро- и наноэлектроники, таких как нанотонкие слои диэлектриков 8Ю2, 8131Ч4, Ьа8с03, гетероструктур на основе соединений ваАз и 1пАз, и ОаАэ нанопроводов для оптимизации параметров приборов на их основе.

Для достижения целей работы решались следующие задачи:

1) Исследование механизмов распространения и сохранения локально инжектированных зарядов в нанотонких слоях БЮ2 и 8131Ч4 при различных температурах и условиях. Определение параметров диффузии локально инжектированных носителей заряда. Разработка способа оценки количества локально инжектированных зарядов в диэлектрических слоях на основе КЗМ измерений.

2) Исследование механизмов утечки зарядов в нанотонких слоях Ы§Ь-к диэлектрика (е=33) Ьа8с03 на 81 подложке и сопоставление с результатами исследований слоев 8Ю2 и 813М4. Определение степени влияния пограничного с подложкой 8ЮХ слоя, а также влияния толщины диэлектрических слоев на утечку зарядов.

3) Изучение распределения встроенных и приложенных извне электрических полей в светодиодной гетероструктуре II типа 1пАз8ЬР/1пА8 с двухцветной люминесценцией.

4) Изучение распределения встроенных и приложенных извне

электрических полей в фотодиодной гетероструктуре 1пАб/ 1пАз8Ь/ 1пАэ8ЬР/

1пАб8Ь / 1пАб8ЬР для среднего ИК диапазона. Определение положения р-п и

5

гетеропереходов с целью оптимизации параметров приборов на основе гетероструктуры.

5) Изучение особенностей распределения поверхностного потенциала на поверхности скола (110) детекторной структуры п+- п"-р+ СаАэ (100) при различных внешних условиях: внешнее напряжение, оптическое возбуждение. Определение положения электрических переходов. Исследование влияния химической нитридной пассивации в гидразин-содержащих растворах на распределение поверхностного потенциала.

6) Исследование влияния поверхностной обработки на морфологию зеркал мощных АЮаАзЛЗаАз лазеров. Определение оптимальной процедуры обработки, позволяющей существенно повысить оптическую мощность лазеров.

7) Разработка методик СЗМ исследований механических свойств и проводимости ваАэ НП, сохраняющих ростовой контакт с подложкой. Определение модуля Юнга исследуемых ваЛя НП с целью создания стабильного электрического контакта с СЗМ. Изучение особенностей механизмов проводимости сильно и слаболегированных ОаАэ НП. Изучение влияния химической нитридной пассивации (в гидразин-содержащих растворах) и химической сульфидной пассивации (в растворах сульфида натрия) на проводимость ваАз НП. Сопоставление эффективности и долговечности нитридной и сульфидной пассивации ваАБ нанопроводов.

8) Исследование фотопроводимости ваАБ нанопроводов различных типов и уровней легирования. Определение основных факторов, влияющих на фотопроводимость.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) На примере структуры Ьа8с03/81 с интерфейсным БЮХ слоем показана возможность одновременного исследования КЗМ методом поведения инжектированных зарядов в отдельных слоях многослойных диэлектрических наноструктур.

2) Для диэлектрических слоев Ьа8с03 показано существенное подавление скорости латеральной диффузии в сравнении с классическими диэлектрическими слоями 8Юг и 81зК4.

3) Обнаружено накопление электронов на (110) ОаАз поверхности детекторной структуры п+- п"-р+ ОаАэ (100) в области п'-п+ перехода при приложении к структуре обратного смещения.

4) Обнаружено накопление дырок на поверхности р+-СаАз НП вблизи барьера Шоттки, вызывающее гистерезис вольт-амперных характеристик НП.

5) Разработана СЗМ методика определения модуля Юнга нанопроводов, наклоннорастущих на подложке. Обнаружено в 2-3 раза меньшее значение модуля Юнга у изучавшихся ваАэ НП, по сравнению со значениями в объёмном СаЛв.

6) Произведено сравнение эффективности и долговечности влияния химической нитридной и сульфидной пассивации на проводимость СаАв нанопроводов различных типов и уровней легирования. Показано превосходство по обоим параметрам нитридной пасивации.

7) Исследована проводимость и фотопроводимость слаболегированных ваАБ НП. Установлена определяющая роль поверхностных состояний в транспорте носителей заряда.

Научная и практическая значимость выполненной работы заключается в том, что автор с помощью ГКЗМ метода исследовал распределения зарядов и электрических полей в приборных наноструктурах различного рода и выявил новые данные, проясняющие механизмы и особенности работы приборов на основе исследуемых наноструктур. Результаты исследований нанотонких слоев диэлектриков (8Ю2, 81з>Т4, Ьа8с03) показали эффективность используемого метода в качестве инструмента диагностики качества диэлектрических слоев, их деградации, а также определения основных механизмов перераспределения локально инжектированных зарядов в них. Установлена определяющая роль поверхностной водной плёнки в перераспределении зарядов, что указывает на необходимость проведения подобных исследований на сухих поверхностях.

Исследования, проведённые на поверхности сколов гетероструктур,

+

выявили накопление зарядов на поверхностях в местах выхода р-п и п-п переходов при приложении внешних напряжений, что приводит к полному экранированию распределения внешних напряжений в объеме гетероструктуры. Возможность проявления данного эффекта при исследовании поверхностей гетероструктур, необходимо учитывать при анализе распределения электрических полей на основе данных полученных ГКЗМ методом.

Результаты исследований влияния химической пассивации на проводимость ваАэ нанопроводов демонстрируют превосходство нитридной пассивации над известными методами сульфидной пассивации. Сохранение полного обеднения в слаболегированных нанопроводах, даже после пассивации, ярко проявляет определяющую роль поверхности в структурах с малым соотношением объём/поверхность.

Практическая значимость диссертационной работы выражена следующим образом:

1) Определено положение р-п перехода в фотодиодной гетероструктуре ГпАв/ 1пАз8Ь/ ЫАбБЬР/ 1пАэ8Ь / ЫАбБЬР для среднего ИК диапазона, позволившее оптимизировать параметры фотодиода.

2) Определён оптимальный способ обработки поверхности зеркал мощных АЮаАэ/ОаАз лазеров, позволяющий в 2 раза увеличить выходную оптическую мощность.

3) Разработана методика определения модуля Юнга нанопроводов, наклоннорастущих на подложке. Для реализации методики требуется только один прибор - атомно-силовой микроскоп.

4) Разработана СЗМ методика исследования проводимости химически пассивированных нанопроводов наклоннорастущих на подложке. Впервые произведена химическая нитридная пассивация ОаАэ нанопроводов. Стабильные и эффективные нитридные покрытия могут быть использованы для успешного применения ваАз НП в приборах оптоэлектроники.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) В многослойных диэлектрических наноструктурах методы сканирующей Кельвин зонд микроскопии позволяют независимо и одновременно для каждого диэлектрического слоя изучать латеральную диффузию и утечку в полупроводниковую подложку локально инжектированных зарядов.

2) Скорость диффузии локально инжектированных зарядов в нанотонких high-& диэлектрических слоях LaSc03; на кремниевой подложке на порядок меньше скорости диффузии инжектированных зарядов в слоях Si02 и Si3N4. Наличие на интерфейсе LaSc03/Si переходного слоя SiOx значительно ускоряет утечку зарядов из слоя LaSc03 в Si подложку.

3) На GaAs (110) поверхности скола п+-п"-р+ структуры при приложении запирающего напряжения происходит накопление электронов в области п+-п" перехода. Подобный эффект накопления зарядов на (110) поверхности p-GaAs нанопроводов вблизи Шоттки-контактов приводит к значительному изменению величины их проводимости и появлению гистерезиса вольт-амперных характеристик.

4) В слаболегированных GaAs нанопроводах приповерхностная область пространственного заряда занимает весь их объём, в результате чего проводимость и фотопроводимость определяются скоростью поверхностной рекомбинации.

5) Химическая нитридная пассивация GaAs нанопроводов в гидразин-содержащих растворах (N2H4) является более эффективной по сравнению с методиками сульфидной пассивации, обеспечивая большее увеличение проводимости GaAs нанопроводов и более длительное время сохранения эффекта пассивации в атмосферных условиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XV

международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (Нижний

Новгород, 2011); на 18, 19 и 21 международных симпозиумах

«NANOSTRUCTURES:PHYSICS AND TECHNOLOGY» (Санкт-Петербург,

9

Екатеринбург, Санкт-Петербург, 2010, 2011 и 2013); на 23, 24 и 25 Российских конференциях по электронной микроскопии, «РЭМ» (Черноголовка, 20112013); на конференциях по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада «Физика СПб» (Санкт Петербург, 2011, 2012); на международной зимней школе по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2011); на XXIV всероссийской конференции «Современная химическая физика» (Туапсе, 2012) и обсуждались на семинарах в ФТИ им. А. Ф. Иоффе и

СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 научных работах, из них 9 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка

литературы.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована общая цель и основные задачи работы, ее новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту, а также кратко представлена структура д�