Исследование возможности управления электрическими характеристиками МДП-структур на основе арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

У 1

Н№ №

Министерство общего и профессионального образования РФ Томский государственный университет

на правах рукописи

ПАНИН АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ МДП-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА

ГАЛЛИЯ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТОМСК 1997

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте им. акад. В.Д.КузИецова при Томском государственном университете.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Гаман В.И., кандидат физико-математических наук Калыгина В.М

доктор физико-математических наук, профессор Войцеховский A.B., кандидат физико-математических наук, зав. лаб. Вилисов A.A.

Ведущая организация:

Томская академия систем управления и радиоэлектроники

Защита

состоится "3 " 1997 г. „ / ¥

часов на

заседании диссертационного совета к.063.53.05 при Томском государственном университете (634050, г.Томск, пр.Ленина, 36).

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

И.Н.Анохина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из важных задач современной полупроводниковой электроники является создание высокочастотных полевых МДП-транзисторов на основе арсенида галлия. Все попытки решения этой задачи, в которых в качестве изолятора использовался целый ряд диэлектрических слоев, полученных в основном высокотемпературными методами, не привели к положительному результату. В подавляющем большинстве таких МДП-структур не удалось реализовать качественную границу раздела диэлектрик-СаЛя с малой плотностью поверхностных электронных состояний, при которой бы не возникало закрепление уровня Ферми на поверхности полупроводника.

Исследования, ведущиеся последние два десятилетия, показали отсутствие такого закрепления на атомзрночистой (полученной скалыванием в сверхвысоком вакууме) поверхности ОзАв. Однако адсорбция даже незначительного количества инородных атомов (0.1 монослоя) приводит, к резкому возрастанию плотности поверхностных состоянии (ПС) в запрещенной зоне и, как следствие, к закреплению уровня Ферми. Причем, плотности образующихся при этом ПС настолько велика, что дальнейшая адсорбция практически не меняет его положение. Более того, показано, что поверхностный потенциал в ОаАх слабо зависит от природы адсорбата и в несколько большей степени определяется ориентацией поверхности СаДв.

Несмотря на это, поисковые работы по созданию МДП-структур с малой плотностью ПС на основе (ЗаАз продолжаются. Обнадеживающие результаты достигнуты при использовании в качестве подзатворного диэлектрика полуизолирующего монокристаллического слоя твердого раствора А10 5Са05А8, выращенного методом молекулярно-лучевой или газовой эпитаксии. Однако промышленный выпуск МДП-транзисторов на основе (ЗаАэ пока не реализован. Имеется большая серия работ, в которых показана возможность изменения плотности ПС на границе раздела или свободной поверхности ОаАв за счет: обработки ее деионизованной водой или сульфидными растворами, нанесения сверхтонких полупроводниковых слоев, адсорбции целого ряда элементов таблицы Менделеева, облучения ультрафиолетовым светом, импульсного лазерного отжига. Однако большая часть таких исследований проведена либо для свободной поверхности ОаАв, либо для контактов металл-ваАз и имеются лишь единичные работы по изучению пассивации границы раздела диэлектрик-арсеннд галлия. В связи с этим является актуальным продолжение работ, связанных с подбором материала диэлектрика, методом его нанесения, а также разработкой способов пассивации поверхности СаАв и его границы раздела с различными изоляторами.

Данная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы "Исследование фундаментальных физико - химических закономерностей

формирования монокристаллов, тонкопленочных структур и границ раздела на арсениде галлия (и его электронных аналогах)". № Гос. регистр. 01.9.30 000393.

Целью настоящей работы является исследование возможности снижения плотности ПС на границе раздела диэлектрик-арсенид галлия за счет: варьирования состава и технологии получения диэлектрического слоя, подлегирования поверхности GaAs халькогенидными элементами, термического и лазерного отжига МДП-структур. • Для достижения поставленной цели были проведены следующие работы:

1. Изучены особенности вольтфарадных характеристик (ВФХ) И вольтеимеисных характеристик (ВСХ) МДП-структур на основе п- и p-GaAs с различным» диэлектриками, полученными низкотемпературными способами нанесения.

2. Исследована возможность изменения плотности ПС и поверхностного потенциала путем введения халькогенидных элементов (ХГЭ) в приповерхностные слои арсенида галлия.

3. Изучено влияние термического отжига в комнатной атмосфере и в атмосфере водорода на электрические характеристики МДП-структур, в зависимости от температуры синтеза диэлектрических слоев.

4. Подобраны условия воздействия импульсного лазерного излучения на границу раздела дн >.ieKTpiiK-n(p)-GaAs, при которых снижается плотность ПС и уменьшается частотная дисперсия ВФХ и ВСХ.

Научная новизна работы заключается в следующем: Изучено влияние термического отжша 6 комнатной атмосфере и в водороде на электричсскйе характеристики МДП-структур на основе GaAs, в зависимости от температуры синтеза диэлектрического слоя (нитрида бора). Показано, что в результате термического отжига полная плотность ПС (быстрых и медленных) существенно не изменяется. В то же время плотность быстрых поверхностных состояний (с временами релаксации t^lO MO^c) уменьшается в (2-10) раз.

Впервые исследовано влияние ХГЭ на электрические характеристики границы раздела п(р)-ОаА8-диэлектрик. Установлено, что пассивирующее действие серы, селена и теллура зависит от материала диэлектрика и типа проводимости полупроводника. .

Впервые показано, что, независимо от материала диэлектрика и-типа проводимости полупроводника, воздействие импульсного лазерного излучения с плотностями энергий W<W„ (где W.-ttiKoropoe критическое значение) приводит к снижению полной плотности ПС на границе раздела GaAs-диэлектрик и уменьшению частотной дисперсии электрических характеристик МДП-структур. Определены критические значения плотности энергий для импульсного лазерного отжига (ИЛО) с. длиной волны Х=0.69мкм (длительность импульса т=10'3с) и Х=0.308мкм (т=410""с). Установлено, что при воздействии импульсного лазерного излучения с W>W, наблюдается обратный эффект.

Изучено влияние НЛО на МДП-структуры на основе GaAs, в приповерхностный слой которого введены ХГЭ. Показано, что результат действия ИЛО с W<W„ зависит от модификации поверхности арсенида галлия халькогенидными элементами.

Практическая ценность работы. Разработан приближенный метод оценки полной плотности ПС для МДП-структур, в которых модуляция емкости обусловлена перезарядкой ПС, не требующий измерений электрических характеристик МДП-структур при нескольких значениях частоты тестового сигнала.

Па основе выполненных исследовании определены критические значения плотности энергий лазерного излучения, позволяющие проводить лазерный тгжмг границы раздела диэлектрик-GaAs с целью снижения полной плотности поверхностных состояний. Найдены условия получения МДП-структур на эснове p-GaAs с минимальной дисперсией электрических характеристик и /частком модуляции емкости в диапазоне напряжении, примерно :овпадаюшим с изменением емкости на ВФХ для идеальной МДП-структуры.

На защиту выносятся следующие положения: [. Особенности поведения электрических характеристик МДП-структур на основе п- и p-GaAs с различными диэлектриками обусловлены высокой плотностью Г1С на границе раздела полупроводник-диэлектрик. В допустимом (без пробоя диэлектрика) интервале напряжении режим аккумуляции не реализуется, а увеличение емкости от минимального до максимального значения, при любой частоте измерительного сигнала, обусловлено перезарядкой ПС.

. Результат обработки поверхности GaAs халькогенидными элементами зависят от типа проводимости полупроводника и материала диэлектрика. Введение ХГЭ в приповерхистный слон полупроводниковой подложки вызывает увеличение полной плотности ПС и поверхностного потенциала в образцах на основе n-GaAs. В МДП-структурах на основе p-GaAs полная плотность поверхностных состояний уменьшается.

. Характер влияния термического отжига на электрические характеристики МДП-структур на основе n-GaAs определяется соотношением температуры синтеза диэлектрической пленки (BN) и температуры отжига, а также средой в которой проводится термообработка. В результате термического отжига полная плотность поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-GaAs практически не изменяется, в то время как плотность быстрых ПС уменьшается от двух до десяти раз.

Результат воздействия импульсного лазерного излучения не зависит от материала диэлектрика и типа проводимости полупроводника и определяется длиной волны, длительностью импульса и плотностью энергии излучения. Установлены критические значения плотности энергии (W„), определяющие результат ИЛО.

ИЛО с W<WK вызывает уменьшение полной плотности поверхностных состояний в МДП-структурах на основе GaAs как и-, так и р-типа. При воздействии лазерного излучения с W>W, полная плотность НС увеличивается.

Под действием ИЛО плотность быстрых и медленных поверхностных состояний изменяется в противофазе.

5. Воздействие лазерного излучения с W<WK приводит к увеличению электрически активной примеси в приповерхностных слоях GaAs. При W>WK наблюдается обратный эффект. При больших плотностях энергии в МДП-структурах с BN наблюдается компенсация донорной примеси в электронном арсениде галлия, вплоть до изменения типа проводимости.

6. Результат действия ИЛО с W<WK определяется исходной деструкцией приповерхностного слоя полупроводника. Мри сравнительно низкой плотности ПС на границе раздела днэлектрнк-GaAs (N,s=2 10|2эВ''см"2) ИЛО ведет к росту концентрации дефектов. Однако в случае высокой исходной плотности поверхностных состояний определяющим становится процесс их аннигиляции.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных сессиях Сибирского физико-технического института (г.Томск !994г, 1996г.), региональной научно-технической конференции "Радиотехнические и информационные системы и устройства" (г. Томск 1994г.). IX International Conference Nonresonant LasserMatter Interaction (NLMl-9) 1-3 July 1996 St.Petersburg, Pushkin.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и изложена на 219 страницах машинописного текста. Диссертационная работа включает 9 таблиц, 62 рисунка, библиография содержит 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту. Дтна краткая характеристика разделов диссертационной работы.

В первой главе анализируются литературные данные, касакнциесц особенностей электрических характеристик МДП-структур на основе GaAs, а .также различных способов пассивации поверхности арсенида галлия.

Анализ опубликованного материала показывает, что на поверхности GaAs имеется' высокая плотность ПС (с. большим набором времен релаксации), которая обуславливает закрепление уровня Ферми и не позволяет в необходимых пределах изменять загиб зон за счет изменений подаваемого напряжения.

Описаны результаты, полученные при пассивации свободной поверхности СаЛз с помощью нанесения полупроводниковых и диэлектрических пленок, из которых, по мнению авторов публикаций, в частности, следует, что па границе раздела ОаАя - туииелыю тонкий слой (1-4 им) происходит полное снятие закрепления уровня Ферми. Подобный эффект отмечался и при нанесении на ОаАэ многослойных тонконленочных структур В результате плотность ПС снижалась до Ю10 эВ~'см"2,

а вольт-фарадные характеристики изготовленных МДП-структур не имели гистерезиса. Вследствие хорошего согласования кристаллических решеток в качестве перспективного материала для создания диэлектрического слоя в МДП-структурах предлагается твердый раствор А1^0а,.хА8, компенсированный хромом. Плотность ПС на границе раздела АКОа^Аэ-СтАз по литературным данным составляла примерно Ю" эВ 'см 2.

Известным методом пассивации ОаАв является обработка его поверхности в водородной плазме. Высота барьера Шопки при этом уменьшалась до 0.5(ЬП и случае п-СаАэ н увеличивалась до 0.87 при пассивации р-С«аАз.

Интересные результаты получены при замене приповерхностных атомов мышьяка на атомы фосфора. В результате такой обработки формируется приповерхностный слон ОаР с достаточно совершенной структурой в объеме пленки и на границе раздела. Плотность ПС в этом случае не превышала 10" эВ 'см"2.

Более подробно описаны методы пассивация поверхности СаАБ халькогенидными элементами. При взаимодействии с ОаАз, образуется тонкий псевдоаморфный поверхностный слой ОаАз,8е|х с высококачественной структурой и очень низкой плотностью оборванных связен на гегерограшше. Загиб зон на поверхности (¡аЛз в и ом случае составляет примерно 0.1 эВ.

Эффективное снижение плотности ПС достигалось при обработке поверхности ОаАэ различными сульфидными соединениями (№289Н20, (N1(N114),8„ Р285/('1И,У,8). После сульфидной обработки плотность исходных ПС снижалась до МО12 эВ 'см 2. При этом формировалась система новых электронных состояний, обусловленных, в основном, связями Ст-Й. В результате для п-ОаАя загиб зон ф5 увелпчииался до 1.1 эВ, а для р-ОаАя уменьшался до 0.3 эВ. Однако, подобный эффект пассивации носил кратковременный характер и продолжался от нескольких часов до нескольких месяцев.

Следует отметить, что в большинстве публикаций, посвященных нассиваци свободной поверхности ОаАя и изучению электрических характеристик МДП-структур на его основе, не указано, определялась ли полная плотность ПС или плотность ПС с определенным набором времен

в

перезарядки. Известно, что на границе раздела диэлектрик-ОаАэ имеются ПС с широким набором времен релаксаций (от 10"' до 10"8с и меньше), и основной вклад в закрепление уровня Ферми па поверхности дают ПС с большими временами перезарядки (т,>10"3с). Наиболее вероятно, что указанные выше значения плотности ПС относятся к быстрым поверхностным состояниям (т,<10'с). По-видимому, этим можно объяснить тот факт, что на основе структур металл^з^-ЗиОаАз и металл-А1(,5Оа„5А5 с малой плотностью ПС (согласно литературным данным) до сих пор не реализован полевой транзистор.

В последнем разделе первой главы дается анализ работ, посвященных • влиянию импульсного лазерного излучения на дефектность приповерхностного слоя ОаАБ. Известно, что воздействие лазерного излучения на поверхность полупроводника может привести к изменению ее структурно-морфологических и электрофизических свойств. Установлено, что результат воздействия НЛО определяется исходной деструкцией приповерхностного слоя.

На основе анализа литературных данных в конце первой главы сформулированы цель диссертационной работы и основные направления исследований.

Во второй главе представлены результаты исследований влияния состава диэлектрика на электрические характеристики МДП-структур на основе п- и р-ОзАб. Описаны способы нанесения диэлектрических слоев плаэмохимнческим методом. Анализируется зависимость основных параметров ВФХ и ВСХ МДП-структур от материала диэлектрика и режима его нанесения. Дан детальнный анализ зависимостей емкости и активной проводимости от частоты и напряжения. Описан метод оценки полной плотности поверхностных состояний (14,,,), определяющих энергетическое положение уровня Ферми на поверхности полупроводника для МДП-структур, в которых модуляция емкости определяется перезарядкой ПС.

В исследованных МДП-структурах в качестве диэлектрика использовались пленки окешштрида кремния (Й^К.О,), диоксида кремния (5Ю2), нитрида бора (ВМ), полученные пдазмохимическим методом, двойные слои (В^^^О,), а также пленки анодного окисла и 0а20,.

Па основе анализа экспериментальных данных установлено, что положеш.о участка модуляции емкости МДП-структур на оси напряжений, крутизна ВФХ и величина активной проводимости зависят от состава диэлектрика и типа проводимости полупроводника. Для МДП-структур на основе п-ваАз участок модуляции емкости и максимум активной проводимости смешены в область положительных напряжений, а для МДП-структур на основе р-ОаАз - в область, отрицательных напряжении относительно ВФХ идеальной МДП-структуры.

Независимо от материала диэлектрика и метода его нанесения, вольт-флркаиые и вольт-сименсные характеристики обладают частотой дисперсией.

С увеличением частоты тестового сигнала С-П и О-и кривые сдвигаются в область более высоких напряжений (отрицательных или положительных).

Минимальные значения емкости (С,ы„) исследованных образцов в области малых напряжений (№0) близки к емкости идеальной МД11-структуры, находящейся в режиме сильной инверсии, и слабо зависят от и. При подаче положительного (отрицательного) напряжения на МДП-структуры на основе п-ОаАг (р-СтАй) емкость возрастает и стремится к насыщению. Однако, максимальная емкость (С11ЫЧ) при любой частоте тестового сигнала не достигает величины, равно» емкости диэлектрика. Это свидетельствует о том, что, в МДП-структурах на основе п- н р-ОаАэ в допустимом интервале напряжении режим аккумуляции не реализуется. Увеличение емкости от Сшш до С1ПИ в интервале напряжений ог ин до 11к (где ин соответствует началу, а II, -концу участка модуляции емкости на ВФХ) при любой частоте измерительного сигнала, обусловлено перезарядкой поверхностных состояний. В структурах на основе электронного арсеннда галлия эти состояния лежат и верхней половине запрещенной зоны и являются состояниями акцепторного типа. Обмениваясь носителями заряда с зоной проводимости и захватывая электроны, они создают отрицательный заряд, который вызывает смещение участка модуляции емкости на ВФХ и максимума 11СХ в область положительных напряжений.

В МДП-структурах на основе дырочного ОзЛб проявляются поверхностные состояния, лежащие в нижней половине запрещенной зоны. Эти состояния донорного типа захватывают дырки из ближайшей разрешенной (валентной) зоны и создают положительный заряд, что приводит к сдвигу участка модуляции С-11 и максимума (¡-О кривых в область отрицательных смешений. •

При и<и„ С,ш„ определяется высокочастотным пределом емкости МДП-структуры [1]:

С -С

Ч ~

где Сд-емкость диэлектрика, а

~ р , р > (О

-емкость обедненного слоя, в - площадь управляющего электрода, Еп-ошосительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, е0=8.85 10"'2 Ф/м - электрическая постоянная, ^ - концентрация донорной примеси, <р4(и) - величина поверхностного потенциала при данном напряжении

и.

В области 1)>ик максимальная емкость МДП-структур определяется низкочастотным пределом:

где

Сю = SeJN,(Fs)

(4)

-низкочастотный предел дифференциальной емкости С„ обусловленной перезарядкой ЛС с плотностью >), , совпадающих с уровнем Ферми на поверхности Г\, е - заряд электрона. Поскольку частота измерительного сигнала составляла Ю'-Ю'Гц, то Ы, имеет смысл плотности быстрых ПС.

Используя соотношения (I), (3) и (4), можно определить Ы,. Однако, в большинстве случаев' ¡^,(Р5) определялась по максимуму на кривой, изображающей зависимость 0,/ю 6г и. При напряжении, соответствующем максимуму

где G, - активная проводимость, обусловленная перезарядкой ПС, M=2nf -циклическая, a f - линейная частота измсрительтного сигнала.

Расчет полной плотности ПС проводился но сдвигу вдоль оси напряжений максимума на кривой, изображающей зависимость (í/oj от U, при изменении частоты измерительного сигнала. В соответствии с работой [I]

где и„,„| - напряжение, соответствующее максимуму на кривой зависимости 0/(о от и, измеренной на частоте со,, ита,1 - напряжение, соответствующее 1 максимуму на кривой зависимости 0,/ю от и, измеренной иа частоте ю2.

Для приближенной оценки N,5 в МДП-структурах, п которых участок модуляции емкости на ВФХ обусловлен перезарядкой Г1С, использовался метод, разработанный, автором данной работы, основанный па том, что при увеличении напряжения от Ц, до и, (где Ц, и ик - напряжения, соответствующие началу и концу участка модуляции емкости) безразмерная частота П-и-ехр^е-^^и^ДкТ^^"1 должна уменьшиться в 100 раз за счет изменения <р5(и). В соответствии с работой [2]-

(5)

Для исследованного набора диэлектрических пленок плотность быстрых ПС на границе раздела ОаАз-диэлектрик лежит в интервале значений 2 10"<М<6Ю" эВ'см"2, а полная плотность ПС - от 7.510й до 4.3 10П эВ"'см"2. Наименьшая

величина N,5 получена для МДП-структур на основе дырочного ОаАэ с анодным окислом.

В третьей главе анализируется влияние халькогенидных элементов (селен, теллур и сера) на электрические свойства МДП-структур.

Пассивация поверхности ОаЛь осуществлялась путем выращивания пленки анодного окисла с добавкой в электролит соли халькогенндного элемента. Предполагалось, что атомы в, 8е и Те за счет диффузии проникают из анодного окисла в приповерхностную область полупроводника. Затем анодный окисел стравливали и плазыохимнческим методом наносили пленку рабочего диэлектрика (8К)2, ВЫ или Б^О,,). Изготовление образцов завершалось напылением электродов к диэлектрику и СаАв. Наличие халькогенидных элементов в С] а Ах проверялось методом Оже-спектроскошш и анализом спектров вторичных ионов.

Установлено, что результат обработки поверхности ваЛя халькогеиидными элементами зависит от типа проводимости полупроводника: при наличии серы и теллура на границе раздела полупроводник - диэлектрик ВФХ и ВСХ обратив на основе п-ОаАя смещаются в область более высоких положительных напряжений по сравнению с соответствующими кривыми для МДП-структур без ХГЭ; увеличивается их частотная дисперсия; повышается минимальное значение емкости, возрастает активная проводимость. Напротив, обработка серой и селеном поверхности р-ваАв приводит к сдвигу ВФХ и ВСХ в окрестность 1_)~0, снижению их частотной дисперсии, уменьшению активной проводимости.

Изменение ВФХ и ВСХ МДП-структур на основе п-ОзАб, подлегированного в или Те," вероятнее всего вызвано повышением полной плотности Г1С и, как следствие, увеличением отрицательного заряда, захваченного в поверхностные состояния. Как показали наши оценки, для МДП-структур без ХГЭ Ык=9.61012 эВ 'см'2, а после введения Б и Те увеличивается до 2.3 1013 эВ 'см'3 и 2.6 1011 эВ 'см'2, соответственно. Последнее приводит к увеличению загиба зон на поверхности полупроводника.

Наиболее сильно возрастает плотность быстрых поверхностных состояний. Так, для образцов с Те плотность быстрых ПС увеличивается на порядок и достигает N=2.3 10й эВ 'см"2. Усиление дисперсии ВФХ связано с увеличением набора времен релаксации ПС.

Смещение ВФХ и ВСХ МДП-структур иа основе дырочного арсенида галлия при введении серы и селена в приповерхностные слои полупроводника в область меньших отрицательных напряжений, уменьшение частотной дисперсии, снижение активной проводимости можно объяснить снижением положительного заряда, захваченного в ПС, за счет уменьшения В эезультате уменьшается также набор времен релаксаций.

В соответствии с выражениями (I) и (2), увеличение минимального шачения емкости в МДП-структурах на основе п-СаАБ с ХГЭ может быть

обусловлено двумя факторами: повышением концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника, либо снижением величины поверхностного потенциала. В наших экспериментах, наряду с увеличением Ст;„, наблюдается значительное повышение ин. Следовательно, для этих структур логично допустить, чго рост Ст1П обусловлен только увеличением концентрации донорнон примеси.

По аналогии с работами [3,4] можно предполагать, что ХГЭ активно реагирует с остатками естественного окисла, образуя связи Оа-Б, Ga-.Se, Ая-З н Аз-Бе. В результате образуется монослой стабильных сульфидных и селенидных комплексов и сложная по составу аморфная окисная пленка заменяется сульфидной пленкой с атомами серы и селена, сидящими поверх атомов галлия, либо атомами ХГЭ, замещающими атомы мышьяка, в зависимости от ориентации поверхности СаАв.

Образование новой межфазной 1раницы на поверхности ОаАэ приводит к формированию новой системы поверхностных электронных состояний, обусловленных болтающимися связями атомов Б либо 8е [4]. В общем случае плотность этих Г1С не всегда оказывается меньше по сравнению с исходной. В результате происходит перезакрепление уровня Ферми вблизи потолка валентной зоны. При этом увеличивается загиб зон на поверхности полупроводника п-типа и уменьшается на поверхности полупроводника р-типа.

В четвертой главе изложены результаты исследований влияния термического отжига в комнатной атмосфере и в водороде на электрические характеристики структур металл-диэлектрик-арсенид. галлия. Эксперимент проводился на структурах Рё-ВЫ-п-ОаАБ и .Р^-З^Ь^О^п-ОаЛБ. Установлено, что характер влияния термического отжига па электрические характеристики исследованных образцов определяется соотношением температуры синтеза диэлектрической пленки Т„ и температуры отжига То, а также средой, в которой проводится термообработка. В случае То<Тм при отжиге в комнатной атмосфере ВФХ и ВСХ смещаются в область больших положительных напряжений, уменьшается минимальное значение емкости. При То>Т„ наблюдается сдвиг С-и и О-и кривых в обратном направлении и резкое снижение емкости и активной проводимости. Эффект возрастает с увеличением разницы между Т„ и Т0 .

Отжиг структур в комнатной атмосфере при То5Т„ объясняется "пассивирующим действием водорода, который присутствует в пленках ВЫ и £¡„N,0, в виде ЫН-, МН2- и ВН- групп [5,6]. Количество водорода в диэлектрической пленке зависит от температуры синтеза диэлектрической пленки и уменьшается с повышением последней. В процессе термообработки водород диффундирует из диэлектрической пленки в приповерхностные слои ОаАэ и образует нейтральные комплексы с мелкими донорами. Количество возникающих нейтральных комплексов примесь-водород в ОаАБ в значительной степени зависит от температуры и времени термообработки. С

заметной' скоростью этот процесс протекает при. Т%3(Ю"С. Поскольку температура синтеза пленок BN в исследованных МДП-структурах существенно ниже ЗОО'С, то в течение технологического -цикла, который длится примерно 60 минут, лишь некоторая часть атомов водорода, прошедших в ОаЛя, успевает образовать нейтральные комплексы. Именно этим можно объяснить тот факт, что концентрация донорной примеси, оцененная из минимальной емкости структуры Р(1-ВМ( 100'С)-п-ОаЛ5 совпадает с исходной (до нанесения диэлектрика) н составляет Н|=1.Г1015см"5. Однако для МДП структур со слоем 1314, синтезированным при температуре 225"С, N,1 снижается до 3 10исм"\

В процессе термического отжига в комнатной атмосфере постепенно возрастает концентрация нейтральных комплексов и уменьшается концентрация М^ что в свою очередь вызывает уменьшение минимальной емкости и смешение участка модуляции емкости на ВФХ и максимума активной проводимости в область более высоких положительных Напряжений вследствие увеличения безразмерной частоты О [2].

Чем выше температура синтеза диэлектрической пленки, тем больше образуется нейтральных комплексов и тем меньше действие оказывает последующий термический отжиг на ВФХ и ВСХ МДП-структур.

Отжиг при То>Т„ приводит к интенсивному выделению избыточного водорода нз пленки ВМ в окружающую сред}, что, в свою очередь, обуславливает увеличение плотности положительного заряда в диэлектрике, смещение участка модуляции емкости на ВФХ н максимума активной проводимости на ВСХ в область малых положительных напряжении.

Кратковременный отжиг структур !'с!-ВМ-п-ОаАя при 200"С в атмосфере водорода приводит к сдвигу ВФХ и ВСХ в область меньших положительных напряжении, приближая их к первоначальному положению, которое они занимали до отжига в комнатной атмосфере. Одновременно наблюдается увеличение емкости и активной проводимости в большей части интервала напряжений. Полученные результаты объясняются с учетом каталитического действия Рс! электрода. В атмосфере водорода молекулы Н2 диссоциативно адсорбируются на поверхности палладия с выделением атомарного водорода (Н,). В свою очередь Н, диффундирует сквозь Рй и ВМ к границе раздела днэлектрик-ОаЛв. Некоторая часть атомов водорода, достигших поверхности полупроводника, оказывается в состоянии химической адсорбции с образовать» протонов на границе раздела В^ваЛя. В результате происходит снижение эффективного отрицательного заряда в ПС на границе раздела диэлектрик-СаЛз.

При более длительном отжиге в атмосфере водорода наблюдается уменьшение емкости и активной проводимости. Данные изменения, по-видимому, обусловленны пассивирующим действием атомов водорода, которые при больших временах отжига \^псвают диффундировать черет

н

металлический и диэлектрический слои в приповерхностную область арсенцда галлия и образовать там нейтральные комплексы с мелкими донорами.

Как показал анализ полученных данных, термический отжиг МДП-структур в комнатной атмосфере при Температурах (00, 150 и 2(Ю"С и в атмосфере водорода при То=200°С существенно не изменяет полную плотность поверхностных состояний. В то же время плотность быстрых ПС в образцах с BN уменьшается в^-10 раз.

В пятой главе обсуждаются результаты влияния импульсного лазерного излучения на ВФХ и ВСХ МДП-структур с пленками различных диэлектриков, а также структур с ХГЭ в приповерхностном слое GaAs.

Длины волн лазерного излучения (Х=0.69мкм с длительностью импульса т=!10'3с и Л=0.308мкм с т=4Ю"вс) выбирались из условия прозрачности диэлектрика, что позволяло воздействовать непосредственно на границу раздела полупроводник-диэлектрик. ШЮ проводился со стороны диэлектрика до нанесения управляющего электрода. Плотность энергии излучения (W) варьировалась от нуля до 15-20 Дж/см2 для лазерного излучения с *.=0.69мкм и до 100-150 мДж/см2 в случае Х.=0.308мкм.

Установлено, что результат НЛО не зависит от материала диэлектрика и типа проводимости полупроводника и определяется длиной волны, длительностью импульса и плотностью энергии лазерного излучения. ИЛО с W<W, приводит к сдвигу ВФХ и ВСХ в область меньших положительных напряжений для МДП-структур на основе n-GaAs и в область меньших отрицательных напряжений для МДП-структур на основе p-GaAs, к снижению частотной дисперсии C-U и G-U кривых, увеличению крутизны ВФХ, повышению минимального и максимального значения емкости и вызывает снижение активной проводимости. Воздействие лазерного излучения с YV>W, приводит к обратному результату: ВФХ и ВСХ МДП-структур на основе п(р)-GaAs смещаются в область больших положительных (отрицательных) напряжений, увеличивается частотная дисперсия ВФХ и ВСХ, уменьшается крутизна C-U кривых, снижаются Cmln и Ст„.

Определены критические значения плотности энергии, определяющие результат ИЛО. В случае Х=0.69мкм (t^l 10"3с) W,=8-10 Дж/см2. При ИЛО с Ы).308мкм(т=4 10*с) W„=9-15м Дж/см2.

ИЛО с W<W, вызывает уменьшение полной плотности поверхностных состояний в МДП-структурах на основе как n-, так и p-GaAs. При воздействии лазерного излучения с W>W,t NK - увеличивается.

Под действием НЛО N, и Nu изменяются в противофазе. Например, в структуре NiCr-S^NjOj-p-GaAs полная плотность ПС после ИЛО с W«W, уменьшается от 3.0 Ш13 до 2.81011 эВсм2, а плотность быстрых ПС увеличивается от 4.810" до 9.1 10" эВ 'см"2.

Воздействие лазерного излучения с W<WK приводит к увеличению электрически активной примеси в приповерхностных слоях GaAs, что

проявляется в повышении С|т„ . При наблюдается обратный эффект.

Причем, при больших плотностях энергии в структурах металл-5цМ(0,-ВМ-п-ОаЛя наблюдается инверсия типа проводимости ОаАя.

Результат ИЛО МДП-структур с ХГЭ в приповерхностном слое полупроводниковой подложки зависит от типа проводимости ОаЛв. Введение серы и теллура в МДП-структуры на основе п-СяАэ не приводит к изменению их поведения при ИЛО, По сравнению с образцами без ХГЭ. Напротив, для структур металл-диэлектрик-р-баАя с серой, Независимо от плотности энергии, наблюдается смещение ВФХ и ВСХ под действием ИЛО в область больших отрицательных напряжений, снижение крутизны С-и кривых, уменьшение минимальной и максимальной емкости.

Аначиз возможного механизма действия НЛО проведен на основе электронно-деформационно-тепловон модели, предложенной в работах [7,8]. В данной модели предполагается многофакторное действие ИЛО на поверхность полупроводника: возбуждение электронной подсистемы, повышение температуры и возникновение деформации как за счет теплового расширения приповерхностной области полупроводника, так и благодаря действию фотострнкционного эффекта.

Стационарная концентрация дефектов, возникающих под действием ИЛО может быть представлена выражением [9]:

N =соп51-ехр

Т0 + дТ

(8)

где Ет - энергия активации поверхностного дефектообразования за счет изменения температуры; Е,ц - понижение энергии активации за счет электронного возбуждения; 0 - потенциал деформации, е - величина одноосной деформации; Т,¡-начальная температура; дТ - изменение температуры полупроводника при ИЛО. В зависимости от плотности энергии \\' тот или иной фактор может оказаться преобладающим.

В наших экспериментах использовались плотности энергии лазерного излучения, не превышающие порога плавления ОаЛв (\Ч'<\У„). При вышеуказанных длинах волн энергия кванта лазерного излучения больше ширины запрещенной зоны ваЛя. Это обеспечивает межзонные переходы и приводит к резкому росту концентрации неравновесных носителей заряда.

Согласно нашим расчетам, при \Vk\V« величина нагрева составляет <40"С, а термоупругие напряжения не превышают 3.5'ЮЧЪ, что на два порядка меньше предела прочности ОяАб (8 108Па) и ниже уровня низкотемпературного критического напряжения образования дислокаций в ОаАз (6.. 10) 10']Та [10]. Следовательно, можно предположить, что при \У<\У, наблюдаемые изменения электрических характеристик МДП-структур, в основном,' обусловлены электронным возбуждением, которое в основном локализуется на биографических дефектах [7,8]. Концентрация их наиболее велика в тонком приповерхностном слое полупроводника к непосредственно на границе раздела

GaAs - диэлектрик. Релаксация энергии, запасенная электронной подсистемой, осуществляется несколькими процессами, в том числе и электрон - фононным взаимодействием. Можно предположить, что энергия, которая выделяется при рекомбинации или захвате неравновесных носителей заряда, оказывается достаточной для размножения дефектов, ответственных за быстрые поверхностные состояния N,, энергетическая плотность которых сравнительно мала (N,«10" эВ"'см"г). Возникающие локально возбужденные состояния дефекта на поверхности существуют сравнительно длительное время [9], в течение которого возможна перестройка атомной структуры первичных дефектов (как генерация дефектов, так и их рекомбинация). Причем процессы, происходящие на поверхности полупроводника, зависят от их исходной концентрации [11]. Так в достаточно совершенных кристаллах ИДО ведет к росту концентрации дефектов. Однако, в сильно нарушенных слоях полупроводника, какими, например, могут быть поверхностные слои пли границы раздела, определяющим становится процесс аннигиляции изначально существующих дефектов[11]. .

При ИЛО, вероятно, одновременно протекают два процесса: размножение дефектов, ответственных за N, (их концентрация мала) и аннигиляция дефектов, обуславливающих медленные поверхностные состояния (их начальная концентрация велика и на два порядка превышает Nt). Аннигиляция дефектов второго типа при W<WK происходит более интенсивно, чем размножение дефектов первою тина. В итоге полная плотность поверхностных состояний с увеличением W уменьшается.

Анализ профилей распределения элементов в окрестности границы раздела SixN,02-BN-GaAs, полученных методом. оже-электроцной спектроскопии, до и после лазерного воздействия с W=W* показал, что граница раздела после ИЛО с \V=\VK остается резкой. Это указывает на слабое взаимное проникновение компонентов GaAs и диэлектрика во время действия лазерного излучения, что подтверждает атермический характер процессов, развивающиеся на границе раздела и на поверхности арсепнда галлия при лазерном отжиге с \\г<\\\.

При \V>WK возрастает роль тепловых эффектов и деформации, что в соответствии с (8) приводит к увеличению концентрации дефектов и росту полной плотности поверхностных состояний. Согласно проведенным расчетам, в случае ИЛО с W=100мДж/смг температура на поверхности достигает 112OK, а термоупругие напряжения возрастают более чем на порядок по сравнению с \V= 1 ОмДж/см2 и за время t=T достигают 7107Па.

Одновременно при W>\V„ вероятно, происходит термический отжиг дефектов, ответственных за быстрые поверхностные состояния, и их плотность снижается с ростом W. Но так как N,«N,S1 то снижение N, не изменяет характера поведения полной плотности ПС и N,s при W>WK увеличивается. Это обуславливает сдвиг ВФХ и ВСХ в область более высоких напряжений и снижение крутизны ВФХ.

\

Инверсия типа проводимости полупроводниковой подложки при \У>100мДж/см2 в МДП-структурах с ВЫ на основе п-ОаАз объясняются диффузией бора, который играет роль акцепторной примеси, в приповерхностный слой арсеиида галлия. Это предположение подтверждается профилями распределения элементов на граинпе раздела диэЛектрик-СаАэ.

Противоположное действие лазерного отжига с \У<У/„ на МДП-структуры на основе р-ОаАэ с серой, по сравнению с образцами без ХГЭ можно объяснить следующим образом. Как уже было сказано, характер яазерно-индуцированных реакций, обуславливающих изменение концентрации дефектов, определяется исходной деструкцией приповерхносного слоя. Для структуры №Сг-ЗЮ,-й-р-ОаА5 полная плотность поверхностных состояний оказывается минимальной и составляет 2.5 10|2эВ''см"г, а область модуляции емкости на ВФХ и максимум активной проводимости данной структуры расположены вблизи и=0 и практически не обладают частотной дисперсией. Вероятно после НЛО в образцах с серой происходит существенная реконструкция поверхности ваАз, приводящая к росту концентрации дефектов, что п вызывает изменение электрических характеристик таких МДГТ-структур. Это предположение подтверждается анализом профилен распределения положительных ионов, полученных методом вторичной ионной масс-сгтектрпскопин до и после лазерного отжига. Исследование образцов методом НИМС показало, что в образцах до ИЛО не наблюдается образования новых фаз и фиксируется только наличие серы на границе раздела днэлектрик-{ЗаЛэ. Однако после ИЛО с \Vs\V, обнаруживается соединение серы с мышьяком Аз82, что, по-видимому, обуславливает возникновение новых поверхностных состояний.

Основные результаты и выводы

1. Для исследованных МДП-структур положение участка модуляции емкости на оси напряжений, крутизна ВФХ и величина активной проводимости зависят ог состава диэлектрика и типа полупроводника. Для МДП-структур на основе п-ОаАя участок модуляции емкости к максимум активной проводимости наблюдаются в области положительных напряжений, а для МДП-структур на основе р-ОаЛя - в области отрицательных напряжений. Наименьшие значения напряжения, соответствующего началу участка модуляяцни емкости Ц,=гО получены для обратное с анодным окислом и 0а,0,. Дтя исследованного набора диэлектрических пленок (анодный окисел, 0а,03, ВМ, ВМ) плотность быстрых поверхностных состояний на гранние раздела ОаЛв-диэлектрик лежит в интервале значений от 210" до 6 10" эВ 'см'2, а полная плотность ПС - от 7.5 1012 до 4.310" эВ'см"2.

2. Разработан приближенный метод определения полной плотности поверхностных состояний я МДП-сгрукгурах, в которых модуляция емкости

is

обусловлена перезарядкой ПС, при использовании вольт-фарадной характеристики, не требующий измерений на нескольких частотах.

3. Установлено, что результат обработки поверхности GaAs халькогенидными

• элементами зависит от типа проводимости полупроводника и материала

диэлектрика.'Введение халькогенидных элементов в приповерхностный слой

. полупроводниковой подложки вызывает увеличение полной плотности поверхностных состояний и поверхностного потенциала в образцах на основе n-GaAs. В МДП-структурах на основе p-GaAs Nls уменьшается. Наименьшие значения N,=(2.3*2.5) 1013 эВ"'см'2 получены для МДП-структур на основе p-GaAs при использовании слоя Si02 в качестве диэлектрика.

4. Характер влияния термического отжига на электрические характеристики структур Pd-BN-n-GaAs определяется соотношением температуры синтем диэлектрической пленки (Т„) н температуры отжига (То), а также средой в которой проводится термообработка. Наибольшей стойкостью к термическим воздействиям обладают МДП-структуры с диэлектрической пленкой, полученной при максимальной температуре синтеза.

5. Термический отжиг МДП-структур в комнатной атмосфере при температурах 100, 150 и 200°С и в атмосфере водорода при То=200°С существенно не изменяет полную плотность поверхностных состояний. В то же время плотность быстрых ПС в образцах с BN уменьшается в 2-10 раз.

6. Результат воздействия ИЛО не зависит от материала диэлектрика и типа проводимости полупроводника и определяется длиной волны, длительностью импульса и плотностью энергии лазерного излучепня. ИЛО с W<W, приводит к сдвигу ВФХ и ВСХ в область меньших положительных напряжений для МДП-структур на основе n-GaAs и в область меньших отрицательных напряжений для МДИ-структур па основе p-GaAs, снижению частотной дисперсии C-U и G-U кривых и крутизны ВФХ, увеличению минимального и максимального значения емкости, понижению активной проводимости. Воздействие лазерного излучения с W>WK приводит к обратному результату.

7. Установлены, критические значения плотности энергии, определяющие результат ИЛО. В случае Х=0.69мкм (i=lT0"Jc) Мк=8-10Дж/см2. При. ИЛО с ).=О.308мкм (т=4 10"8с)\Ук=9-Ь5мДж/см2.

ИЛО с \V<WK вызывает уменьшение полной плотности поверхностных состояний в МДП-структурах на основе GaAs как п-, так и р-типа. При воздействии лазерного излучения с W>Wt N,s увеличивается. В результате ИЛО плотности быстрых и медленных поверхностных состояний изменяются в противофазе.

9. Воздействие лазерного излучения с \\'<\\\ приводит к увеличению электрически активной примеси в приповерхностных слоях GaAs. 'При W>\V, наблюдается обратный эффект. При больших плотностях энергии в

МДП-структурах с BN происходит компенсация донорной примеси и n-GaAs атомами бора, вплоть до изменения типа проводимости полупроводника.

10. Результат действия ИЛО на МДП-структуры с халькогенидными элементами в приповерхностной области GaAs зависит от типа проводимости полупроводника. Введение серы и теллура в МДП-структуры на основе n-GaAs не приводит к изменению нх поведения при ИЛО, по сравнению с образцами без ХГЭ. Напротив, для структур металл-днэлектрик-p-GaAs с подслоем S, независимо от плотности энергии, наблюдается смешение электрических характеристик под действием ИЛО в область больших отрицательных напряжений, снижение крутизны C-U кривых, уменьшение Cmill и Ст;и.

1,1. Результат действия ИЛО с W<WU определяется исходной деструкцией приповерхностного слоя GaAs. При низкой плотности ПС на границе раздела диэлектрик-GaAs (МДП-структуры на основе p-GaAs с подслоем серы) ИЛО ведет к росту концентрации дефектов. В случае высокой Исходной плотности ПС определяющим становится процесс их аннигиляции.

Основные результаты опубликованы в работах:

(.Панин A.B. Влияние термической обработки на электрические характеристики структур метплл-диэлектрик-GaAs // Тезисы докладов на региональной научно-технической конференции "Радиотехнические и информационные системы и устройства" (г. Томск 1994г.).

2. Гаман В.И., Калыгина В.М., Панин A.B., Смирнова Т.П. Влияние термического отжига на электрические характеристики структур металл -диэлектрик - арсеннд галлия // Поверхность.- 1995,-N5.- С. 18-27.

3. А. V. Panin, V. I. Gaman, V. М. Kalygma ITie influence of laser annealing on . electrical properties of metal-insulator-semiconductorstructures. //Abstracts of IX International Conference Noniesonant Lasser-Matter Interaction (NLMI-9) 1-3 July 1996 St.Petersburg, Pushkin. Р.59.

4. Исследование фундаментальных физико-химических закономерностей формирования монокристаллов, тонкопленочных структур и границ раздела на арсениде галлия (и его электронных аналогах). Отчет / СФТИ: Рук. НИР Вяткин А.П.- № гос. регистр. 01.9.30 000393.- Томск.- 1996,- С.133.

5. Гаман В.И., Калыгина В.М., Панин A.B. Влияние халькогенидных элементов на электрические характеристики Гранины раздела диэлектрик-GaAs / Ред. журн. "Изв. вузов. Физика".- Томск, 1996.- Деп. в ВИНИТИ 27.11.96, Si 3435. .

6. Гаман В.И., Калыгина В.М., Панин A.B. Влияние импульсного лазерного • отжнга на электрические характеристики МДП-структур на основе GaAs с подслоями серы, селена и теллура / Ред. журн. "Изв. вузов. Физика".-Томск, 1996.-Деп. в ВИНИТИ 31.12.96, №3862. .

Цитируемая литература

1.Гаман В.И., Иванова H.H., Калугина В.М., Судакова Е.Б. Электрические свойства структур металл - взнаднево - боратное стекло - арсенид галлия // Физика,- 1992.- N11,- С.99-108.

2. Гаман В.И., Калинина В.М., Панин A.B., Смирнова Т-П. Влияние

• термического отжига на электрические характеристики структур металл -

диэлектрик - арсенид галлия//Поверхность - 1995.-N5,-С. 18-27.

3. Takahisa Ohno. Sulfur passivation of GaAs surfaces // Physical Review В.- 1991.-> vol.44.-N12,-P.6306-6311.

4. Hwang K..C., Sheng S.Li. A study of new surface passivation using P2S5 / (NH^S on GaAs Schotlky barrier diodes // Appl. Phys. Lett.- 1990,- vol. 67.-N4.- P.2162-2165,

5. Смирнова Т.П., Храмова Л.В., Яшкин И.Л., и др. Получение слоев BN при непрямой ВЧ-активации боразола // Неорган. Материалы.- 1992.- т.28,- N 7.-С. 1414-1419.

6. Храмова Л.В., Смирнова Т.П., Еремина Е.Г. Синнтез слоев оксинитридй кремнии* из гексаметилдисилазана и закиси азота // Неорган. Материалы.* 1992,-т.28,-N 8.-С.1662-1666.

7. Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. Образование дефектов в полупроводниках при импульсном лазерном облучении // Поверхность,- 1995,- N6,- С.5-33.

8. Емельянов В.И., Кашкаров П.К. Дефектообразование в приповерхностных слоях полупроводников при импульсном лазерном воздействии // Поверхность,-1990.-N2.-С.77-85.

9. Зотеев А.0., Кашкаров П.К., Киселев В.ф. Лазерно-индуцированные атомные и молекулярные процессы на поверхности полупроводников // Поверхность.- 1993.- N5.- С.97-109.

10. Мильвидскнй М.Г. Полупроводниковые материалы в современной электронике. М.: Наука.- 1986,- 1^3с.

П.Бегичев И.С., Кашкаров П.К., Тимощенко В.Ю. Влияние исходной дефектности кристалла GaAs на лазерно-нндуцированную модификацию центров рекомбинации // Вести. Моск. Ун-та.- сер.Э.- 1989.- т.30.- N6.- С.77-79. k

Закал AD. WO экз.

УОП ТГУ, Томск. 2'J, Никит,ша,4.