Сканирующая туннельная микроскопия границ раздела в гетероструктурах полупроводниковых соединений А III B V и A II B VI в атмосферных условиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. Иоффе

) у Д на правах рукописи

АНКУДИНОВ Александр Витальевич

СКАНИРУЮЩАЯ ТУННЕЛЬНАЯ МИКРОСКОПИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АшвУ и АнвУ1 в АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкг-Петербург 1997

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

А.Н.ТИТКОВ.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

Р.П.СЕЙСЯН, кандидат физ.-мат. наук А.О.ГОЛУБОК.

Ведущая организация:

Казанский физико-технический институт КНЦ РАН, Казань.

Защита состоится " ^" 1997 г. в часов на

заседании специализированного совета К-003.23-01 в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе по адресу: 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ.

Автореферат разослан " р.

/

Учёный секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук Г.С.КУЛИКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес к исследованиям с высоким пространственным разрешением электронных и структурных свойств границ раздела полупроводниковых гетероструктур обусловлен неполнотой наших представлений о процессах, развивающихся на поверхностях и границах раздела, по сравнению с большинством явлений, происходящих б объеме полупроводника. Кроме того, такие исследования являются важными'для дальнейшего быстрого и целенаправленного развития полупроводниковой технологии и прикладных задач электроники. Отличные возможности для изучения полупроводниковых гетероструктур открывает сравнительно молодой метод сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). В сверхвысоковакуумных условиях метод СТМ позволяет судить об атомной структуре поверхности, следить за начальными, субмонослойными стадиями роста материала, влияющими на механизм дальнейшего послойного роста. СТМ поверхности скола уже выращенной структуры также на' атомном уровне дает информацию об однородности и резкости границ раздела, флуктуацнях состава, о величине разрывов зон на гетерограницах, а также об электронных свойствах гетерослоев, например типе и уровне легирования. Представляет интерес реализация возможностей СТМ в атмосферных условиях, где метод может быть удачно использован при исследованиях степени совершенства полупроводниковых структур.

В нашей работе в условиях комнатной атмосферы были исследованы границы раздела гетероструктур на основе 1пР, 1пАв, ОаАэ, гпБе -соединений, которые широко используются в оптоэлектронике.

При проведении таких исследований остро встает вопрос о совершенствовании комнатных методик СТМ. В принципе, возможности СТМ должны позволять судить об изменениях в легировании л составе полупроводниковых структур. Ценность полученной информации, очевидно, прямо зависит от пространственного разрешения метода в атмбсферных условиях. Повышение разрешения требует усилий па развитию способов подготовки поверхности полупроводника дня защиты от окисления. Основная трудность здесь состоит в том, что не существует универсального способа и каждый конкретный полупроводник может требовать отдельного исследования.

Все вышесказанное определяет актуальность выполненной работы.

Цель работы состоит в развитии способов защиты поверхностей полупроводников от окисления и проведении в атмосферных условиях СТМ исследований поверхностей и 1раниц раздела в гетероструктурах на основе 1пР, 1пАх ваАз, гпБе. Для этого решались следующие задачи:

Разработка и изготовление сканирующего туннельного микроскопа, приспособленного для исследования сколов поверхностей гетероструктур.

Дальнейшее развитие способов подготовки поверхностей полупроводников, позволяющих вести в атмосферных условиях СТМ исследования с нанометровым плоскостным разрешением.

Проведение систематических исследований возникающих в нанометровом масштабе изменений в строении и электронных свойствах границ раздела в полупроводниковых гетероструктурах на основе соединений 1пР, ТпАв, СаАв, гпБе.

Получено прямое подтверждение существования электронного слоя на интерфейсе Р-р-гетероструктуры Са^АвБЬЛпАз.

Впервые проведены СТМ исследования границ раздела в гетероструктурах гиБе/ваЛв.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для пассивированных поверхностей скола гетероструктур соединений III-V, а также сколов гетероструктур соединений III-V и II-VI, защищенных от окисленйя силиконовым маслом, механизм протекания туннельного тока при контакте острия СТМ с полупроводником уд злетворительно описывается в рамках теории структур металл-диэлястрик-полупроводник (МДП).

2. При СТМ исследованиях поверхностей п-ОаАБ(110) и (100) в электролитической ячейке (т-йНи СТМ) кислая среда лучше защищает поверхность полупроводника от переокисления в растворе, чем щелочная.

3. В изотипных гетероструктурах р-типа СаШАзБЬЛпАв с высоким содержанием ваБЬ в четверном слое на гетерогранице со стороны р-1пАз формируется слой электронов проводимости.

4. Несовершенство структуры слоев 2пБе вблизи гетерограницы приводит к возникновению электрического барьера на гетеропереходе п-2п8е/п-СаА5.

5. Применение буферных слоев ВгТе улучшает структурную и электрическую однородность гетерограиицы n-ZnSe/n-GaAs и способствует росту более совершенных слоев ZnSe.

6. Использование псевдорешетки BeTe-ZnSe на гетерогранице р-ZnSe/p-GaAs способствует облегченному транспорту дырок через гетерограницу.

Достоверность и надежность результатов работы обеспечены тщательностью разработки ■ экспериментальных методик,

воспроизводимостью результатов измерений, хорошим согласованием с данными, полученными различными независимыми методами, а также с имеющимися литературными данными.

Научная и практическая значимость. В работе развиты способы защиты полупроводника от окисления, которые позволяют существенно повысить информативность СТМ исследований поверхностей соединений aiubv и a"bv1 в атмосферных условиях, а именно: ИагЭ-пассивация поверхностей соединений на основе GaAs и InP, которая позволяет в атмосферных условиях с помощью СТМ выявлять в гетероструктурах этих соединений электрические и гетеропереходы с разрешением в плоскости менее 30 нм; метод скола образца в силиконовом масле, который может бьггь применен для защиты от окисления как поверхностей соединений auibv , так и поверхностей anbvi, и который позволяет ведение СТМ исследований с разрешением в плоскости до 10 нм.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе, университета Париж-6 и университета г.Ульм, международных и всероссийских конференциях: NANO-II (Moscow, 1993); 2nd and 3d Int. Symposium on Nanostructures (St.Petersburg 1994,1995); ECO SS (Lille, 1995); ICPS23 (Berlin, 1996); ISCS23 (1996, St.Petersburg); РКФП2 (Зеленогорск, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата*

Структура и объем диссертации. Диссертация coctovt из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 154 страницы машинописного текста, 44 рисунка на 44 страницах. Список цитируемой литературы содержит 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, формулируются цели работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разбору современнсго состояния в области СТМ исследований поверхностей полупроводников.

Параграф 1 содержит краткое теоретическое описание процессов электронного туннелирования и обсуждение механизмов протекания тока при контакте металлической иглы СТ микроскопа с полупроводником. Описание процессов электронного туннелирования - теоретического базиса СТМ - включает в себя: обзор развития взглядов на вакуумное туннелирование и туннельную спектроскопию; рассмотрение в приближении независимых электродов физических принципов СТМ; изложение основ теории процесса СТМ визуализации. Особенности протекания тока в контактах металл-полупроводник (МП) обсуждены в рамках теории пленарного и точечного выпрямляющих контактов МП, а также в приближении независимых электродов. Приведены энергетические диаграммы контактов разной кривизны с полупрозодником без учета поверхностных состояний (ПС) и типичные вольт-амперные характеристики (В АХ), которые на качественном уровне помогают выбирать уместный подход при интерпретации СТМ данных по спектроскопии и топографии поверхности полупроводника.

Параграф 2 содержит обзор недавних СТМ исследований поверхностен полулрозояккховых соединений в сверхвысоком вакууме (СВЬ), комнатных'условиях и в .условиях электролитического окружения. Подробно анализируются СВВ СТМ исследования чистых поверхностей' скола ОэАбО 10), информация о других III-V соединениях (1пР, ваЗЬ, 1пАз и 1п5Ь), а также гетероструктурах этих соединений. Рассмотрены примеры известных СТМ исследований в комнатных условиях поверхностей скола гетероструктур на основе ваАз и 1пР. Сопоставлены возможности СТМ исследований поверхностей составных полупроводников в комнатных и СВВ условиях. Разобраны принципиальные особенности СТМ в электролите (шт.и7и СТМ). Проананизированы т-яШ'СТМ исследования поверхностей Б! и III-V соединений. Глава заключается выводами и дет альным описанием основных целей работы.

Во второй главе анализируются способы реализации метода СТМ для исследования поверхностей скола полупроводниковых гетероструктур. Основная сложность здесь связана с тем, что размеры гетероструктуры составляют обычно несколько сотен нанометров, а толщина нодложкн-несколько сотен микрон. Поэтому в конструкции СТ микроскопа должка быть предусмотрена возможность перемещения иглы (или образца) на большие расстояния с большой точностью.

Параграф 1 посвящен конструированию СТ микроскопа. В нем проанализирована система виброизоляции, механизмы перемещения иглы и образца, датчик туннельного тока и блок разверток, рассмотрены требования, выдвигаемые к игле микроскопа и способы приготовления острий. Нами был разработан и изготовлен СТ микроскоп с диапазоном сканирования 5 мкм2, сверхточным (до 50 нм) горизонтальным перемещением образца в туннельном контакте и атомарным разрешением. Приведены результаты тестирования созданного микроскопа: атомарное разрешение поверхности графита; изображения дифракционной решетки на базе п-СаАэ с периодом 0.4 мкм. Эти данные были использованы для градуировки устройства развертки и определения минимального шага устройства горизонтального перемещения образца. В конце параграфа описаны изменения в схеме прибора; необходимые для ведения исследований в электролитической ячейке.

Параграф 2 содержит подробное описание работы созданного микроскопа в основных режимах измерений- топографии и спектроскопии. В параграфе 3 рассмотрены методы подготовки поверхностей полупроводников для работы в электролитическом окружении и в обычных условиях.

Третьч глава содержит результаты оригинальных исследований поверхностей п-ОаАв с помощью СТМ в электролитической ячейке (¡п-х'аи СТМ).

Такие исследования позволяют глубже понять процессы, идущие при пассивации поверхности-, /л-я'?« СТМ визуализация поверхностей составных полупроводников, таких как ваЛв, однако, довольно проблематична. Из-за высокой химической активности интерфейса полупроводник-электролит на поверхности легко образуется оксидный слой. Дополнителы.ая сложность-высокая плотность поверхностных состоянии в запрещенной зоне. Из-за них поверхность СаАй обеднена свободными носителями, поэтому

плотность туннельного тока на острие слишком мала и, следовательно, плоскостное разрешение низкое. Мы исследовали влияние потенциометрических условий, состава электролита и предварительной обработки образца на разрешение микроскипа. В ходе работы был найден способ осуществления м-.чии СТМ исследований поверхностей п-ваАз с нанометровым разрешением.

В параграф 1 включены исследования поверхностей п-СаАв в щелочной и кислой среде. По совокупности данных топографии сделан вывод, что в щелочном растворе электролита СТМ дает мало информации о структуре поверхности. Мы предположили, что основная причина низкой информативности исследований в щелочной среде- механический контакт иглы с поверхностью, о наличии которого можно было судить по аномально низкой работе выхода (несколько мВ), измеренной с помощью СТМ. Например^ри увеличении туннельного тока в десять раз расстояние игла-образец менялось на 20-40 ангстрем, что значительно превышает величину туннельного зазора.

Более предпочтительные условия для работы микроскопа создавались и кислой среде. Мы нашли, что работа в растворе серной кислоты с небольшой добавкой перекиси водорода (0.36М НУЮа +0.01М Н2О2) приводит к значительному улучшению СТМ изображения. Величина работы выхода с такой поверхности близка к одному вольту. Так, при увеличении туннельного тока в десять раз расстояние шла-образец менялось на 2-3 ангстрема, что меньше туннельного зазора и говорит о почти идеальном туинелировании. мелкие детали изображения воспроизводились при повторных записях топограмм, их форма не зависела от скорости разеертки. Разрешение микроскопа оценено примерно в 20 нм в плоскости сканирования и 1 нм в вертикальном направлении.

Параграф 2. Найденный состав электролита 0.36М НгвО,» +0.01М Н2О2 позволил провести ш-.чпи СТМ исследования поверхностей п-Сп ^(100), предварительно протравленных в системе НгБОфИгОг/НгО. Эта смесь используется при обработке подложек СаАз(ЮО) в технологическом процессе подготовки к эпитаксиальному росту. В зависимости от состава смеси мы изучили наноморфологию травленных поверхностей и их стабильность к переокислению в электролитической ячейке. Было обнаружено, что предварительное травление образца в слабо полирующем растворе И^О^Н^О/ЛЬО с пропорциями 5:1:20 приготавливает наиболее

стабильн;ло к переокислению поверхность. Приготовленные таким образом поверхности можно исследовать в СТМ с вертикальным разрешением несколько ангстрем, что подтверждается наблюдением атомарных ступеней на поверхности.

В заключение отметим, что в ходе работы был найден способ, позволяющий уверенно достигать нанометрового вертикального разрешения при исследованиях в электролите поверхностей п-СаА5(100) и (110). Рецепт включает в себя процедуру предварительной подготовки поверхности, состав электролита и потенциометрические условия. Для свежеприготовленной поверхности скола п-ОаА5(110) предварительного травления не требуется. В работе обнаружена ступенчатая структура поверхности п-СаА8(110), в которой легко идентифицируются асимметричные особенности плоскости скола, ранее наблюдавшиеся только в СВВ условиях [1].

В четвертой главе представлены результаты исследований в, комнатных условиях поверхностей скола СаАв, а также нескольких гетероструктур III-V соединений.

В параграфе 1 рассмотрен и охарактеризован один из способов повышения информативности СТМ исследований полупроводников - ранее не изученная процедура №28-пассивации поверхности п-ОаАя(1 10). Изучались изменения в рельефе пассивированных поверхностей полупроводника с разным уровнем легирования в зависимости от времени обработки. По полученным топографиям измерялась величина СКВ шероховатости изображения Яарр, определяющая вертикальное разрешение микроскопа и одновременно служащая критерием однородности покрытия. Постоянство Яарр со временем характеризовало стойкость покрытия к окислению

Мы обнаружили, что прй кратковременной (несколько секунд) пассивацин на поверхности образуется достаточно тонкое и однородное защитное покрытие. Величина Карр поверхности не превышает 0.1 им, чго ранее на пассивированных поверхностях ваАв не достигалось. Применяя, кратковременную НагЭ-пассивацию, мы смогли наблюдать структуру атомных ступеней на сколе п-ваЛяО 10), рис.1.

Стойкость к окислению кратковременно пассивированной поверхности, однако, не велика, и защитное покрытие деградирует в течение нескольких часов контакта с комнатной атмосферой. При

Рис.1. СТМ изображение поверхности n-GaAs(llO), пассивированной в растворе NaiS в течение 3 секунд, размер кадра 1000x1000 нм~. Кристаллографические направления указанны в верхней части рисунка; преимущественное направление ступеней-[001]; величина Rapp, измеренная на террасах, меньше 0.1 нм.

увеличении времени пассивации возрастает и величина Rapp и время жизни сокрытия. Приемлемая стабильность (несколько дней) и величина Rapp (Ihm) достигаются при пассивации в течение десятков секунд.

Кроме характеризации однородности и стойкости к окислению защитного покрытия нам также удаюсь обнаружить существование процесса травленая при НагБ-пассивации, влияющего на наноморфологию поверхности GaAs. Оказалось, что травление усиливается ростом времени обработки и уровнем легирования. Необходимость учета этого эффекта дня

подготовки наиометрово гладкой поверхности очевидна. Мы обсуждаем возможный механизм образования поверхностного нанорельефа в результате травления при НагБ-пассивации.

В параграфах 2 и 3 собраны результаты исследований гетероструктур на основе InP, GaAs, InAs.

В параграфе 2 показано, что использование Na2S-naccnBauun обеспечивает хорошие условия для исследований гетероструктур на основе InP с разрешением лучше 30 нм. Установлено, что наблюдаемые изменения в рельефе СТМ топографий, а также в форме вольтамперных характеристик (ВАХ), измеренных при движении через гетерограницы, отражают как состав, так тип и уровень легирования, выходящих на поверхность скола различных слоев полупроводника.

Недостаточная стойкость поверхности к окислению, по-видимому, была причиной того, что метод туннельной спектроскопии токовых изображений CITS на пассивированных поверхностях ранее не применялся. С помощью CITS можно очределить изменения профиля электрического перехода при движении вдоль границы. Нам удалось показать, что реализация метода CITS возможна на РгБ^-пассивированных поверхностях.

В диссертации представлены данные СТМ исследований поперечного скола солнечного элемента на основе гетероструктуры GaAlAs/GaAs, пассивированного в растворе PjSs/iNH^S. В СТМ топографии разрешены все слои разного состава, включая 12 периодов брегговского зеркала, состоящего из чередующихся AIAs(70nM)/GaAs(62HM) слоев. В отличие от гетеропереходов, электрические переходы (в данной структуре это n/р и п+/п переходы) в простом топографическом изображении не видны.

CITS изображение скола, зарегистрированное одновременно с топографией, было получено при отрицательном напряжении на игле, когда туннельный ток в контакте металп/п-полупроводник течет в обратном направлении и, соответственно, прямом при контакте с р-полупроводником. В этих условиях большие значения обратного тока должны отражать симметричную форму ВАХ при контакте с п+-полупроводш;хом и большую величину прямого тока при контакте с р-материалом. В хорошем согласии с теорией выпрямляющего контакта МП большой туннельный ток наблюдался именно в п+ и р областях структуры. Ширина области с малыми значениями обратного тока (диодный характер ВАХ) совпадала с размерами умеренно легированных n-слоев. В CITS изображении скола

а

•л' ^Т5.^ .¡5

V „ i

о

KiiiLWfcMf- & jfcfewi .kit til» AWWA.

2mkm

Рис.2, (а) Энергетическая диаграмма контакта p-InAs/p-Gao.8?Iiio.'i jAsottSbo ?8 гетеросгруктуры с разъединенными зонными диаграммами. (б) СТМ топография скола гетероструктуры, полученная при напряжении на игле Ut--+3.0 В и туннельном токе. lt-0.7 нА. (в) Соответствующее CITS изображение, полученное при U,=+3.8 В. Стрелка отмечает гетерограницу, четверной слой справа.

солнечного элемента положение электрических переходов при смещениях в несколько микрон вдоль слоев не меняется с точностью 20 нм, определяющейся в основном конечными размерами иглы.

В параграфе 3 исследуются неиассивнрованные поверхности сколов гетерс-структур. На примере топохрафии сверхрешетки квантовых ям liiP/InGaAs с толщиной нарощеккых слоев 9 нм демонстрируются

возможности надежной защиты поверхности от окисления с помощью метода скола в силиконовом масле. Кроме того показано, что для гетероструктур на основе InAs ценные данные могут быть получены уже при самом простом способе защиты поверхности от окисления- работе в инертной атмосфере.

В гетероструктуре GalnAsSb/InAs с большим содержанием галлия в четвертном растворе зонные диаграммы разъединены [3]. Это значит, что валентная зона широкозонного полупроводника лежит выше зоны проводимости узкозонного материала и, следовательно, на интерфейсе возможно существование двумерных каналов проводимости электронного и дырочного типа, см. энергетическую диаграмму гетероперехода GalnAsSb/InAs, рис.2а. Наличие таких каналов может сильно влиять на оптические и электронные свойства разрабатываемых на основе гетероперехода оптоэлектронных приборов. Нам удалось проверить существование на интерфейсе электронного слоя.

Полученные данные СТМ поверхности скола р-р-гетероструктуры GalnAsSb/InAs прямо показывают примыкающую к гетерогранице со ■. стороны p-InAs область проводимости с повышенной концентрацией электронов. В топографии, измеренной при положительной полярности на игле, т.е. когда электроны полупроводника туннелируют в металл, эта область выглядит кгЬс заметное повышение рельефа (светлая полоса слева от гетерограницы на рис.2б). Это относительное повышение имеет электронную природу и вызвано большим числом электронов вблизи границы, чем вдалеке от нее, что хорошо видно в CITS изображении (рис.2в), сформированном значениями туннельного тока, измеренными при слегка большем значении смещения,чем рабочее напряжение топографии.

Пятая глава посвящена СТМ исследованию св«зи микроструктуры границы раздела ZnSe/GaAs с электрическими свойствами гетероперехода в целом. Гетероструктуры на основе ZnSe и близких II-VI соединений считаются многообещающей системой для изготовления нового поколения лазерных диодов и светодиодов, излучающих в синей и зеленой области спектра. В параграфе 1 очерчен круг проблем, тормозящих развитие этих приборов, при решении которых могут помочь данные СТМ.

В параграфе 2 изложены результаты исследований сколов нескольких тестовых гетероструктур на основе ZnSe. Для защиты сколов от окисления ■ применялось силиконовое масло. Полученные данные показапи высокую

u,v u,v

Рис.3, (a) CITS изображения области гетерограницы в N/n структурах, взятые при Ut=-4.0B. Размер кадров I мкм2. (б) Соответствующие данные сквозных I-V зависимостей через гетерограницу. N/n гетероструктуры II-VI/GaAs обозначены: п-ZnSe(2|am)/n+-GaAs (СВ80); n-2nSe(l|im)/BeTe буфер(10МЬ)/п+-GaAs (СВ67); n-BeMgZnSe(2(.im)/ßeTe буфер(ЮМЬ)/п+-СаАз (СВ48).

чувствительность микроскопа к изменениям в составе, типе и уровне легирования (зарегистрировано всего лишь двукратное изменение в лггировашш), которые могут бьггь определены в этих гетероструктурах с плоскостным разрешением 50 нм.

В параграфе 3 приводятся результаты исследований электрических барьеров на гетеропереходе n-ZnSe/n-GaAs. Высокие потенциальные барьеры на гетерограницах в лазерах на основе ZnSe приводят к тому, ито приборы работают при больших шютнос-чх рабочего тока и поэтому имеют ограниченное время жизни, что сдерживает их применение в массовом производстве. Мы показываем, что данные СТМ в комбинации с данными обычных I-V зависимостей через интерфейс, измеренных между слоем ZnSe

GaAs

II-VI

• > „ Лс 4

Oum V - /

/ l|im

ljamXv /

/ \

Ojim

">20pA

/4

V

/

' / • ,:;-v 62nm

V/-;--4-' iLim

1

Ojjm

Рис.4. Данные CTM топографии и спектроскопии поверхности скола Р/р - гетероструктуры p-ZnSe(2(.im)/BeTe-ZnSe псевдорешетка (90nm)/BeTe буфер( 10ML)/p-GaAs. Гетерограница отмечена стрелкой, (a) CITS изображение, полученное при Ut=+4.0B. (б) Соответствующая СТМ топография, полученная в режима постоянного тока при U(=-4.0B и 1[=20пА.

и подложкой GaAs, позволяют прояснить природу возникающих на гетерогранице электрических барьеров.

В параграфе 4 также по совокупности данных СТМ и I-V зависимостей через интерфейс исследовано влияние буферных слоев Ве'Ге на рост ZnSe и электрическую однородность N/n и P/p II-Vi/GaAs гетеропереходов. СТМ топографии N/n образцов, выращенных с буфером и

без, в основном выявляли4 саму гетерограницу, которая в переделах разрешения выглядела прямой. Однако CITS изображения, рис.3а, обнаруживают существенно различные изменения электронных свойств в окрестности гетерограницы. Фронт изменений электронных свойств в образце СВ80, выращенном без буфера, размыт на глубину до 300 нм, а в образце СВ48 оказывается резким и практически привязанным к гетерогранице. Одновременно, в форме I-V зависимостей через интерфейс, рис.3б, уменьшается, а затем исчезает гистерезис, который свидетельствует о существовании дефектного слоя материала, лежащего вблизи гетерограницы. Данные СТМ прямо выявляют нарушенные области. Отметим, что в обладающем лучшими характеристиками образце СВ48 II-VI слой был выращен согласованным по параметрам решетки с GaAs.

Следующим этапом было изучено,как введение в Р/р-гетероструктуру псевдорешетки BeTe-ZnSe влияет на проводимость и однородность выращенного на ней слоя p-ZnSe. Данные СТМ топографии образца СВ81, рис.4б, выявляют резкую гетерограницу II-VI/III-V и 90 нм псевдорешетки. Справа от псевдорешетки на расстоянии до 0.2цш находится область р-ZnSe, которая разрешена значительно лучше,чем оставшаяся часть слоя ZnSe (зашумленная правая часть изображения). Это наблюдение указывает на повышенную проводимость приграничной области ZuSe. Измеренные при положительном смещении на игле данные CITS, рис.4а, также выявляют эту область. Ненулевая величина обратного (для контакта с р-полупроводником "+" на игле соответствует обратному смещению) тока в области отражает большую прозрачность потенциального барьера в полупроводнике непосредственно под иглой и, следовательно, лучшее легирование приграничной области p-ZnSe по сравнению с удаленной от границы частью слоя ZnSe.

В работе анализируется, каким образом наблюдаемое подпегирование приграничной области p-ZnSe может быть связано с введением на гетерограницу ясевдооешетки BeTe-ZnSe.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Развит метод NajS-naccHBamm поверхностей полупроводников, позволяющий ведение в комнатных условиях СТМ исследований с напомстровым разрешением. Показано, что кратковременная (несколько секунд) пассивация защищает поверхность скола n-GaAs тонкой и однородной, пленкой, которая характеризуется величиной Rapp=0.lHM, ранее

не достигавшейся. Обнаружено, что продолжительная (десятки секунд) №25-пассивация скола п-ОаАз сопровождается травлением поверхности с образованием бугорков травления нан<?метрового размера, ориентированных вдоль направления [110] плоскости скола. Этот эффект особенно ярко проявляется для силыюлегированного СлаАв. С помощью этого метода исследованы с разрешением в плоскости не хуже 30 нм структурные и электрические переходы в гетероструктурах на основе 1пР.

2.На основе анализа данных топографии и величины работы выхода, полученных при т-$аи СТМ исследованиях поверхностей п-ваЛв в разном электрохимическом окружении установлен состав и рН электролита, 0.36М Нг8С>4 + 0.01М Н2О2, (рНнО), позволяющий зондировать рельеф поверхности с субнанометровым вертикальным разрешением. Такое высокое разрешение возможно при исследованиях свежеприготовленной поверхности скола п-ваАзО 10), а также поверхности п-СаАз(ЮО), предварительно протравленной в слабо полирующем растворе НгЗО^НзО^НгО (5:1:20), что подтверждается уверенным выявлением атомарных ступеней на этих поверхностях.

3.На примере исследований сверхрешетки квантовых ям 1пР/1пСаА$ показано, что метод скола образца в силиконовом масле позволяет вести СТМ исследования с разрешением в плоскости лучше, чем 9нм. Использование этого метода позволило также повысить информативность СТМ исследований сколов II-VI гетероетруктур. Получены результаты, которые демонстрируют высокую чувствительность СТМ к происходящим на длине менее 50 нм изменениям в составе, типе и уровне легирования гпЗе (зарегистрировано всего лишь двукратное изменение в легировании).

4.Анализ закономерностей в спектроскопии и топографии различных п/п+ и п/р гомо- и гетеропереходов, выходящих на пассивированные поверхности скола гетероетруктур соединений Ш-У, а также сколы гетероетруктур соединений Ш-У и II-VI, защищенных от окисления силиконовым маслом, позволил установить, что в комнатных условиях механизм протекания тока при контакте иглы СТ микроскопа с такими поверхностями следует рассматривать в рамках теории структур МДП.

5.Получено прямое подтверждение существования электронного слоя в Р-р - гетероструктуре СаГпА$5Ь/1пАз. Сделан вывод, что электроны содержатся в потенциальной яме, примыкающей к гетерогралнцс со стороны рЧпАБ. Этот результат важен для объяснения природы генерации в

недавно созданных инфракрасных лазерах на основе изученного гетероперехода.

6.Анализ СТМ данных гетероструктур n-ZnSe/n-GaAs с разной величиной электрического барьера на гетеропереходе позволил установить, что одной из важных причин возникновения этих барьеров оказывается несовершенство структуры слоев ZnSe на гетерохранице. По совокупности полученных данных сделан также вывод, что рост более совершенных слоев ZnSe достигается в Zn стабилизированных условиях.

7.0бнаружено уменьшение протяженности дефектного слоя вблизи гетерофаницы n-ZnSe/n-GaAs при использовании буферных слоев ВеТе между I1I-V и II-VI материалами. Анализ полученных данных позволяет вывод, что применение буфера ВеТе, улучшая структурную и электрическую однородность гетерофаницы n-ZnSe/n-GaAs, обеспечивает лучший последующий рост II-VI материала.

8.В Р-р гегероструктуре ZnSe/GaAs, выращенной с псевдорешеткой BeTe-ZnSe на гетерофанице, обнаружено увеличение проводимости в лрифаничной области p-ZnSe шириной около 200 нм. Анализ совокупности полученных данных позволил показать, что это увеличение связано с лучшим легированием 200 нанометровой области по сравнению с удаленной от фаницы частью слоя ZnSe. При наличии подлегированной прифаничной области туннелирование дырок через псевдорешетку более вероятно, поэтому электрический TpáHcnopT через гетерофаницу p-ZnSe/p-GaAs облегчен.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах.

1. Ankudinov A.V.,Titkov A.N. Na2S-passivation of GaAs(llO) surface studied by the STM // Abstr.of2nd.Int.Conf. NANO-II, August 1993,Moscow.

2. Анкудинов А.В.,Титков A.H. и др. Визуализация границ раздела в гетероструктурах на основе InP методами СТМ в атмосферных условиях // Письма в ЖТФ, 1993, том 19, вып. 23, стр.91-96.

3. Анкудинов А.В.Лантратов В.М.,Титков А.Н. Визуализация пассивированной в водном растворе NajS поверхности скола GaAs с помощью СТМ в атмосферных условиях // ФТТ,1994,тЗб,вып.2,стр.465-70.

4. Ankudinov A.V.,Lantratov, L'vova T.V., Titkov A.N. Cross-sectional scanning tunnelling inictoscopy of Ш-У semiconductor structures under ambient conditions // Ext.Abstr. of the 2nd.lnt.Sym. on Nanostructures, June 1994. Co-chairiiiens: Zh.Alferov, L.Esaki. Petersburg.pp. 171- 174

5. De Villeneuve C.Henry, Allcngue P. et Ankoudinov A. Preparation chimique et passivation des surfaces de GaAs: etude par AFM/STM in situ //Journees d'electrocheraie 95, Juin 1995, Strasbourg.

6. De Villeneuve С Henry, Allongue P. et Ankoudinov A. AFM and in-situ STM studies of chemical etching and sulfide passivation of GaAs surfaces. // Abstr. of Europ.Conf. On Surf.Sci. (ECOSS), Sept. 1995,Lille.

7. Mkhailova M.P., Lagunova T.S., Obuchov S.A., Ankudinov A.V., Titkov A.N. Electron channel with high electron mobility at the interface of Type II p-GalnAsSb/p-InAs single heterojunction with broken-gap band alignment//Ext.Abstr.of 3d Int.Symp.Nanostructures,1995,St.Petersburg, pp.4951.

8. Анкудинов А.В.,Титков A.H.,Иванов C.B., Сорокин С.В., Шмидт Н.М., Копьев П.С. Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия сколов гетероструктур ZnSe/GaAs // ФТП, 1996, тЗО, вып.6, стр. 730-34.

9. Ankudinov A.V , Titkov A.N., Ivanov S.V., Sorokin S.V.,Shmidt N.M., Kop'ev P.S. Cross-sectional STM/STS of ZnSe/GaAs heterostructures under silicon oil protection. // Proc. of ICPS23 (Berlin, 1996), The Physics of Semiconductors ed. by M.Sheffler and R.Zimmermann (World Scientific, Singapore, 1996), pp.979-982.

10.Ankudinov A.V., Shmidt N.M., Titkov A.N., Lugauer H.Y., Waag A., Landwehr G. Observation of the ZnSe/GaAs heterojunctions with the BeTe buffer by cross-sectional STM. Proc. of the ISCS23, sept. 1996, St.Petersburg.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] Moller R., Coenen R., Kozlowski В., Rausher M. Triangular facets on the GaAs(llO) surface observed by STM // Surf.Sci., 1989, vol. 217, pp 289-297.

[2] Dagata J.A., Tseng W„ Bennet J., Schneir J, Harrary H.H. P2S5 passivation of GaAs surfaces for scanning tunneling microscopy in air // AppI.Phys.Lrft., 1991, vol.59,N25, pp 3288-3290.

[3] Mkhailova M.P., Andreev I.A., Moiseev K.D., Timchenko I.N., Yakovlev Yu.P. Type II GalnAsSb/InAs heterojunctions // Ext.Abstr. of the 2d Int.Symp. on Nanostructures,1994, St.Petersburg,pp 82-85.

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 221, тир. 100, уч.-изд. л. 0,9; 30ЛЧ997 г. Бесплатно