Спектромикроскопические исследования интерфейсов металл / GaN тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Технологический стимул для выполнения работы.

Фундаментальные проблемы.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Интерфейсы металл - полупроводник.

1.1.1 Формирование барьеров Шоттки.

1.1.2 Модели барьеров Шоттки.

1.1.3 Структурная зависимость высоты барьеров Шоттки.

1.1.4 Влияние пространственных неоднородностей на электронные свойства контактов.

1.1.5 Экспериментальные методы измерения высоты барьеров Шоттки.

1.2 Свойства GaN.

1.2.1 Структура GaN.

1.2.2 Рост кристаллов.

1.2.3 Дефекты.

Кристаллическая структура дефектов.

Нитевидные дислокации.

Планарные дефекты.

Объемные дефекты.

Электронная структура дефектов.

1.2.4 Поверхностные реконструкции в GaN.

1.2.5 Интерфейсы метолл/GaN.

ГЛАВА2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛБНЫЙ МЕТОД.

2.1 Принципы ФЭС.

2.2 Фотоэмиссионная микроскопия.

2.2.1 Подходы и их сравнения.

2.2.2 Сканирующая фотоэлектронная микроскопия.

Дифракционная оптика.

2.3 Линия ESCA-microscopy на синхротроне ELETTRA.

2.3.1 Источник СИ.

2.3.2 Оптика линии и монохроматор.

2.3.3 Дифракционная оптика.

2.3.4 Манипулятор и сканирующая система.

2.3.5 Экспериментальная станция.

2.4 Фотоэмиссионная микроскопия на линии ESCA-microscopy

2.4.1 Метод измерений.

2.4.2 Влияние топографии.

2.4.3 Эффекты взаимодействия излучения с веществом.

Термоэффект.

Зарядка образца.

Радиационное воздействие на образец.

ГЛАВ A3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ АТОМНО-ЧИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ GaN И ИХ СТРУКТУРА.

3.1 рост образцов.

3.1.1 GaN/Si.

3.1.2 GaN/SiC.

3.1.3 Полярность образцов.

3.2 In situ приготовление образцов и их структура.

3.3 Фотоэмиссия чистой поверхности GaN.

3.3.1 Валентная зона и определение начального изгиба зон.

3.3.2 Ga3d и определение изгибов зон при формировании интерфейсов метолл/GaN.

3.3.3 Фотоэмиссия Nls.

3.4 приготовление интерфейсов металл/gan.

3.5 Неравновесные фотоэмиссионные эффекты (фотонапряжение) и определение изгиба зон полупроводника в интерфейсах металл/полупроводник с помощью фотоэмиссии.

ГЛАВА 4. ИНТЕРФЕЙС Au/GaN.

4.1 Свойства интерфейса при нормальных температурах.

4.2 Эволюция интерфейса при термическом воздействии.

4.2.1 Структурные эффекты при начальных термических воздействиях.

4.2.2 Интерфейсные реакции в Au/GaN и их влияние на величину барьера Шоттки.

4.3 Температурная зависимость высоты барьера Шоттки.

4.4 Пространственные неоднородности в интерфейсе Au/GaN.ill

Выводы.

ГЛАВА 5. ИНТЕРФЕЙС Ni/GaN.

5.1 Стимулы и предпосылки к изучению Ni/GaN.

5.2 Фотоэмиссия Ni/GaN.

5.3 морфология интерфейса Ni/GaN и ее развитие с отжигом.

ГЛАВА 6. ИНТЕРФЕЙС Ti/GaN.

6.1 Омические контакты Ti/GaN.

6.2. Экспериментальные результаты.

ГЛАВА 7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Выводы.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Список сокращений

ФЭС - фотоэлектронная спектроскопия

ИМСЗЗ - индуцированные металлом состояния запрещенной зоны

В АХ - вольт - амперная характеристика

МБЭ - микроскопия баллистических электронов

МЭГФ - молекулярная эпитаксия из газовой фазы

МЛЭ - молекулярно лучевая эпитаксия

ДБЭ - дифракция быстрых электронов

АСМ - атомно силовая микроскопия

ЭСХА - электронная спектроскопия для химического анализа

РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

ФЭСМ - фотоэлектронная спектромикроскопия

ПФЭСМ - проекционная фотоэлектронная спектромикроскопия

СФЭСМ - сканирующая фотоэлектронная спектромикроскопия

МФЭЭ - микроскоп фотоэлектронной эмиссии

ЭМНЭ - электронным микроскопом низких энергий

ДМЭ - дифракция медленных электронов

ЗП - зонная пластинка

СТМ - сканирующий туннельный микроскоп МФЭЭ - микроскоп фотоэлектронной эмиссии СЭМ - сканирующий электронный микроскоп

Технологический стимул для выполнения работы

Технологические успехи, которые оказали наибольшее влияние на жизнь человечества в последние десятилетия, несомненно, относятся к области информационных технологий. Новые продукты, которые сейчас практически во всех случаях являются результатом обширной и все более интенсивной исследовательской деятельности, находят приложения в домашней, автоматизированной и рабочей атмосфере. Несомненно, успехи современной технологии в огромной степени зависят от прогресса в технологии полупроводников. Все интегральные схемы практически разрабатываются на кремниевой основе благодаря дешевизне, высокому качеству кристаллов, хорошим электрическим параметрам кремния. В последние десятилетия т.н. III-V полупроводники приобретают все большую важность и завоевывают расширяющуюся сферу технических приложений. Полупроводники, основанные на As и Р, успешно используются для оптоэлектронных приложений в инфракрасной, красной и желтой области спектра, а также в высокочастотных приборах. Диапазон цветовой гаммы имеет чрезвычайную важность благодаря тому, что комбинирование трех базисных цветов (RGB) позволяет получать высококачественные плоские цветные дисплеи. Благодаря их эффективности, яркости и большому времени жизни по сравнению с обычными источниками, световые диоды могут иметь приложения в транспортных световых системах, индикаторах и т.д.

Проблема создания диодных лазеров, способных оперировать в голубой части спектра, в течение многих лет являлась ключевой для приложений на хранение и чтение цифровых данных, где необходимы когерентные источники света. Луч такого лазера может быть сфокусирован в пятно, размер которого ограничен лишь дифракционным пределом, т.е. обратно пропорционален квадрату длины волны. Использование полупроводниковых лазеров голубого света вместо применяемых сейчас лазеров инфракрасного и красного света означает значительный рост плотности данных в оптических накопительных приборах. Фактически, если использовать лазеры голубого цвета, вместо стандартного объема памяти обычного CD в 1Gb можно добиться до 40Gb. В качестве кандидатов для создания таких лазеров диоды основанные на распространенных в технологии полупроводниках (GaAs, Si) не подходят из-за их узкой запрещенной зоны. Для конструирования такого лазера первоначально рассматривались диоды, основанные на полупроводниках II-VI ZnSe и SiC. ZnSe был предпочтительным благодаря его малой (0,25%) нестыковке с GaAs, что позволяет растить пленки и производить приборы на основе хорошо развитой технологии. Наилучший результат в данном направлении, полученный недавно, -это демонстрация лазера, основанного на гетероструктуре ZnCdSe (Sony inc.) с рабочим временем жизни в 100 часов (минимумом для внедрения в технологию является 10000 часов рабочего времени). Основная проблема малого времени жизни здесь - высокая степень ионности II-VI полупроводников, что приводит к дислокациям, распространяющимся вплоть до активного слоя во время работы лазера.

Первый коммерческий светодиод голубого света был реализован на основе SiC, однако он имел довольно скромную светимость (0.1 кд.). Это следствие того, что запрещенная зона SiC не обладает структурой прямого перехода, что обуславливает механизм донорно-акцепторной рекомбинации в люминесценции.

Альтернативой вышеописанным соединениям могут хорошо служить полупроводники типа III-N (A1N, GaN, InN типа вюрцита). Они обладают запрещенной зоной с прямым переходом и шириной достаточной для создания оптоэлектронных приборов диапазона 200-600нм (1.9эВ - InN, 3.4эВ - GaN, 6.2эВ - A1N) и возможностью получения приборов любых длин волн из вышеуказанного диапазона благодаря относительной простоте создания структур типа AlxGai„xN и InyGaiyN.

Хотя первый кристалл GaN был синтезирован еще в 1930-х [1], а первый светодиод, основанный на нем в 70-х [2], наиболее активные и продуктивные исследования этого материала начались только в последние десятилетия. Первым прорывом послужили реализация материала р типа в 1989г. [3] и серьезное улучшение качества выращиваемого материала с помощью внедрения буферного слоя [4]. В 1993-м Nakamura создал первый диодный лазер голубого света, который был основан на двойной гетероструктуре типа InGaN/AlGaN [5], чья светимость в 1кд сравнима с интенсивностями инфракрасных лазеров, основанных на AlGaAs. Недавние работы тех же авторов [5] привели к созданию самых ярких на настоящий день светодиодов (бкд.) особенно в голубой области спектра.

Важной областью, в которой применение Ш-нитридов все более расширяется, является высокочастотная электроника. Этот раздел приложений растет и требует все больших технологических успехов, чтобы обеспечить развитие сотовой связи и спутниковых коммуникаций. Наибольшая часть (около 70%) данной технологии основана на использовании кремниевых приборов, остаток оккупирован GaAs. В ближайшем будущем ситуация может

1ГГц ЮГГц ЮОГГц

ЧАСТОТА

Рис. 1. Полупроводниковые материалы для радиочастотной высокомощной электроники. измениться с появлением приборов основанных на SiC и GaN. Карбид кремния ждет применения в приборах, работающих на частотах 1ГГц и мощностях свыше 50Ватт. GaN конкурирует с SiC благодаря возможности работы на более высоких частотах и с GaAs благодаря возможности применения более высоких плотностей мощности (см. Рис. 1). Последнее связано с еще одним замечательным свойством III- нитридов, а именно с высокой термической и химической стабильностью материалов. Это свойство GaN является ключевым - широкозонными являются также полупроводники типа ZnSe, однако сила связи, и, следовательно, стабильность, у таких полупроводников II-VI типа значительно уступает III-нитридам. Энергия связи для ZnSe равна 1.2эВ/связь, в то время как энергия связи GaN равна 2.3эВ/связь. Ш-нитриды стабильны при высокой температуре, что облегчает промышленное создание приборов и дает возможность их работы при высоких температурах и плотностях мощности.

Стабильность III-нитридов и их устойчивость к реактивной атмосфере [6,7] позволяет надеяться на их использование в высокотемпературных и высоко мощных транзисторах, системах распределения мощности, автомобильных двигателях, авиации. Напряжение пробоя в GaN равно 3*106В/см, что является значительно больше этой величины для Si (2*105В/см) и для GaAs (4*105В/см). Высокие напряжения пробоя существенны для создания устройств работающих с высокими мощностями.

Основные проблемы для III-N образцов на решение которых направлены усилия научного сообщества можно разделить на две большие области, о которых будет сказано подробнее в дальнейшем: рост кристаллов: здесь идет речь о нахождении приемлемых подложек, избавлении от дефектов (для улучшения таких характеристик как, например, время жизни полупроводниковых лазеров), нахождение оптимальных параметров роста и т.п. контакты металлов с Ш-нитридами: создание контактов как Шоттки так и омического типа для образцов пир для интеграции в электронику, создание стабильных контактов для высокотемпературных и высокомощностных приложений.

Физика интерфейсов металл/полупроводник в последнее время приобрела большое значение в связи с миниатюризацией электроники, поэтому основной темой настоящей работы будет изучение интерфейсов металлов/GaN, их металлургии, температурной стабильности, морфологии и электронных свойств с помощью фотоэмиссионной микроскопии.

Фундаментальные проблемы

Кроме проблем прикладной физики интерфейсов металлов и полупроводников, существует ряд фундаментальных проблем, путь к решению которых может лежать в направлении фотоэмиссионной микроскопии.

Физика барьеров Шоттки, возникающих в интерфейсах металлов и полупроводников, не смотря на свою столетнюю историю, является чрезвычайно интересной областью исследований. До сих пор не ясна природа закрепления уровня Ферми в интерфейсах. Благодаря недавнему развитию вычислительных методов и вычислительных машин, что лишь в последнее время позволило учитывать влияние дефектов и интерфейсной структуры на высоту барьера, к теоретическому решению вопроса начинают только подходить. Большой проблемой является толкование экспериментальных данных. Стандартные методы измерения высот барьеров заключаются в трактовке вольтамперных, т.е. I-V характеристик или C-V (зависимость емкости контакта от напряжения) измерений. Получаемые величины барьеров сильно зависят от предполагаемых механизмов переноса. Фактически сейчас существуют две версии толкования отклонений от идеальной термоионной характеристики в поведении диодов. Одна из гипотез заключается в вариациях величины барьера на поверхности интерфейса благодаря дефектам и структурным вариациям интерфейса. Другая состоит в том, что роль играют не столько пространственные вариации барьеров Шоттки, сколько нетермоионный вклад в процессы переноса, например туннельный, а также рост веса этого «неидеального» вклада в процессе переноса благодаря наличию дефектов.

Чтобы проследить, какая из гипотез является наиболее справедливой, необходимы экспериментальные микроскопические методики обладающие поверхностной чувствительностью к величине барьера Шоттки на поверхности. ФЭС уже с давних пор служит одним из методов определения высот барьеров Шоттки, лишенным трудностей трактовки данных, присущих электрическим методам. Достижения в создании фотоэмиссионных микроскопов с высоким пространственным разрешением позволяют надеяться на решение обозначенных выше вопросов.

GaN, обладая широкой запрещенной зоной, имеет низкую плотность индуцированных металлом состояний запрещенной зоны (ИМСЗЗ). Это означает, что экранирование интерфейсных диполей, т.е. влияния структуры интерфейса на величину барьера, значительно меньше, чем в полупроводниках с узкой зоной, таких как Si и GaAs. Таким образом, следует ожидать сильную зависимость величины барьера Шоттки от структуры интерфейса и значительных вариаций высоты барьера на поверхности, тем более что полупроводник GaN обладает большими плотностями поверхностных дефектов. GaN вполне может служить модельной системой для изучения пространственных неоднородностей в высоте барьера Шоттки.