Влияние водорода на фотоэлектронные свойства гетероструктур с квантовыми ямами и точками GaAs/In x Ga1-x As тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Список основных обозначений и сокращений.

Введение.

1. Влияние водорода на свойства полупроводников и полупроводниковых структур. Водородные сенсоры (Обзор литературы).

1.1. Обратимое влияние водорода на свойства полупроводниковых структур. Водородные сенсоры.

1.2. Пассивация дефектов в полупроводниках атомарным водородом.

1.3. Влияние квантоворазмерных слоев на образование и пассивацию дефектов.

2. Методика эксперимента.

2.1. Исследованные структуры и образцы.

2.2. Методы исследования.

3. Влияние водорода на свойства диодных МОП структур с квантовыми ямами и точками Рс1/оксид/СаА8/1пСаА8.

3.1. Влияние толщины анодного оксида на характеристики структур и их чувствительность к водороду.

3.2. Влияние квантоворазмерных слоев на ВАХи чувствительность диодных структур к водороду.

3.3. Кинетика влияния водорода.

3.4. Влияние водорода на планарную проводимость и фотопроводимость структур с квантовыми ямами ваАз/ТпваАз и островковым слоем Рс1 на поверхности. 77 3.4.1. Характеристики газовых сенсоров с островковым Рс1 электродом.

3.5. Влияние водорода на фотоэлектронные свойства планарных структур Р<Ж}аА8 на основе полуизолирующего и высокоомного арсенида галлия с квантовыми ямами и точками.

3.6. Влияние микрорельефа поверхности полупроводника на чувствительность к водороду.

3.6.1. Увеличение чувствительности к водороду кремниевого диода Шоттки путем модификации микрорельефа поверхности полупроводника.

3.6.2. Влияние модификации поверхности полупроводника на свойства водо-родочувствительных диодов Шоттки на арсениде галлия.

4. Явления дефектообразования и пассивации дефектов в диодных МОП структурах с квантовыми ямами и точками Рд/оксид/ОаАвЯпОаАв.

4.1. Дефектообразование при анодном окислении ваАБ.

4.1.1. Дефектообразование при анодном окислении гетероструктур комбинированными слоями КЯ и КТ ваАв РсУоксид/ОаАзЛпОаАз.

4.2. Дефектообразование при нанесении Рс1 электрода.

4.3. Пассивация дефектов при обработке структур в атмосфере молекулярного водорода.

4.4. Дефектообразование и водородная пассивация дефектов в структурах с квантовыми ямами ОаА8/1пОа

§ и островковым слоем Рё на поверхности.

4.5. Влияние магнетронного облучения в водородной плазме на фотоэлектронные свойства гетероструктур с КЯ и КТ СаАз/МЗаАз.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния водорода на фотоэлектронные свойства диодных структур Рс1/ваАзЯп^Са]Аз на основе эпитаксиальных слоев ОаАз и гетероструктур с встроенными в приповерхностной области ОаАБ квантовыми ямами 1пОаА8 и самоорганизованными квантовыми точками 1пАб с Р(1 блокирующим электродом, обладающим высокой каталитической активностью по отношению к водороду. Исследовались их свойства как сенсоров водорода и явления дефектообразования и пассивации дефектов при гидрогенизации этих структур.

Актуальность темы

Способность атомарного водорода взаимодействовать с примесями и дефектами полупроводниковых материалов давно привлекает внимание исследователей в связи с возможностью использования этого явления для изменения электрофизических и фотоэлектронных свойств полупроводников. Достоверно установлено, что водород эффективно взаимодействует практически со всеми типами дефектов (примесями и структурными дефектами), расположенными на поверхности и в объеме полупроводника, куда он проникает в результате диффузии [1-2].

Характер взаимодействия водорода с полупроводником во многом определяется способом и условиями процесса гидрогенизации. При определенных условиях (как правило, при невысокой температуре и низкой энергии атомов водорода) наблюдается обратимое влияние водорода на характеристики полупроводниковых структур [1-2]. После прекращения воздействия водорода происходит релаксация структуры и возврат ее свойств к первоначальным.

При достаточно высокой энергии атомов водорода и/или высокой температуре обработки наблюдаются необратимые эффекты влияния гидрогенизации. Значительную практическую ценность представляет эффект водородной пассивации различных дефектов и примесей на поверхности и в объеме полупроводника с образованием электрически не активных водородно-дефектных комплексов [1-2]. Однако, поскольку в качестве источника атомарного водорода традиционно используется высокоэнергетическая водородная плазма тлеющего разряда, гидрогенизации, как правило, сопутствует процесс радиационной генерации дефектов на поверхности [3]. В связи с этим актуальной задачей является исследование процессов дефектообразования при гидрогенизации и выяснение возможности бездефектного введения водорода в полупроводник.

Эффект обратимого влияния водорода нашел широкое практическое применение в разработке и изготовлении водородочувствительных сенсоров. Они могут работать на основе различных физических принципов, однако особое место в большом разнообразии водородных сенсоров занимают сенсоры на основе барьерных структур металл/оксид/полупроводник (МОП диоды с туннельно-прозрачным слоем оксида и МОП конденсаторы) с каталитически активным по отношению к водороду электродом, в качестве которого обычно используется Рс1. Такие сенсоры вписываются современную микроэлектронную технологию и отличаются высокими техническими и эксплуатационными характеристиками (простота изготовления, низкая стоимость, малые габариты, низкое энергопотребление, высокая чувствительность и быстродействие). В этих детекторах принцип регистрации водорода основан на измерении изменения электрических характеристик в зависимости от концентрации водорода, а именно - изменения обратных или прямых токов у МОП диодов, являющихся, по сути, диодами Шоттки (ДШ), и ёмкости у МОП конденсаторов [4].

Наличие диэлектрического слоя между Рс1 и полупроводником, в качестве которого обычно используется естественный или термический оксид полупроводника, необходимо для проявления сенсорных свойств этих структур. Предполагается, что он предотвращает химическое взаимодействие Рс1 с полупроводником, при котором образуется сплав или соединение Рс1, не обладающее каталитическими свойствами. Однако в литературе отсутствуют систематические исследования влияния оксидной прослойки на свойства водородочувствительных сенсоров.

Значительное влияние на характеристики получаемых сенсоров оказывает исходное состояние поверхности полупроводника [6-9]. Кроме того, сами процессы окисления и нанесения Р<1 электрода существенно изменяют свойства приповерхностной области структуры. В связи с этим важными задачами, имеющими как научное, так и прикладное значение, являются выяснение влияния морфологии поверхности полупроводника, процессов окисления и нанесения слоя Р<1 на свойства создаваемых структур.

Подавляющее большинство экспериментальных исследований водородо-чувствительных структур посвящено МОП структурам на основе кремния. В работах [5-6] показано, что по многим параметрам водородочувствительные диоды на основе полупроводников АШВУ не уступают кремниевым. Следует отметить, что МОП структуры на основе полупроводников АШВУ, в частности ваАз, имеют большую потенциальную возможность для создания новых приборов микро- и оптоэлектроники, СВЧ-техники и т.д. Это связано как со свойствами самого ОаАэ, так и с возможностью создания на его основе высококачественных квантоворазмерных структур (КРС) с квантовыми ямами (КЯ) и точками (КТ). Изготовление водородочувствительных МОП структур на базе ваАБ и управление их основными характеристиками воздействием внешней среды расширяет возможности существующих приборов.

Явление пассивации электрически и фотоактивных дефектов атомарным водородом относительно широко исследовалось в однородных полупроводниках (81,1пР, ваАэ, и др.) [1-2] и в значительно меньшей степени - в неоднородных структурах, в частности в гетероструктурах с квантовыми ямами и точками. В отличие от однородных полупроводников, действие водорода в квантоворазмерных гетероструктурах имеет свои особенности, связанные с влиянием гетерограниц и полей упругих напряжений на процессы миграции и комплек-сообразования водорода и дефектов, которые обычно порождает гидрогенизация структур. Напряженный слой КЯ или КТ создает для мигрирующих дефектов и примесей потенциальный барьер, если их проникновение в материал КЯ увеличивает упругие напряжения в ней, или потенциальную яму в противоположном случае [3]. Этот эффект может быть использован для улучшения сенсорных свойств таких структур, в частности для повышения их чувствительности к водороду.

В [10-11] показано, что КЯ, встроенные в базовый полупроводник на малых расстояниях от поверхности, могут быть использованы в качестве зондов, реагирующих на появление в окрестности ям дефектов, изменяющих их реком-бинационные характеристики. Дополнительные радиационные дефекты, появляющиеся в яме или на ее гетерограницах, изменяют интенсивность фотолюминесценции в КЯ, что позволяет эффективно контролировать локальную концентрацию дефектов и профиль их распределения в приповерхностной области. Кроме спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) для контроля состояния КЯ могут использоваться фотоэлектрические методы, основанные на измерениях конденсаторной фотоэдс (КФЭ) или фотопроводимости (ФП), которые значительно слабее [3] зависят от концентрации рекомбинационных центров в материале КЯ, чем ФЛ, что позволяет исследовать сильно дефектные, нелюминес-цирующие структуры.

Основные цели и задачи работы

В связи с вышеизложенным определились основные цели работы:

1. Изучение обратимого влияния водорода на фотоэлектрические характеристики водородочувствительных диодных МОП структур с Р<1 электродом на основе однородных эпитаксиальных слоев ваАз и гетероструктур с КЯ ЬЮаАв и КТ 1пА8.

2. Исследование необратимого влияния водорода на фотоэлектронные свойства МОП структур Рё/оксид/СаАзЯпСаАз с КЯ и КТ, связанного с де-фектообразованием и пассивацией дефектов при гидрогенизации.

В рамках данных целей решались следующие основные задачи: 1. Изучение влияния водорода на фотоэлектрические свойства структур Рё/оксидЮаАз. Выяснение влияния толщины оксида и Рс1 электрода на их свойства.

2. Выяснение возможности улучшения сенсорных свойств водородочувст-вительных структур путем модификации поверхности полупроводника встраиванием в приповерхностную область ваАя квантовых ям ¡пДла^Аз и квантовых точек 1пАз, изменением морфологии поверхности селективным травлением, а также разработка новых типов структур.

3. Исследование явления пассивации дефектов при введении атомарного водорода из низкоэнергетической водородной плазмы магнетронного разряда, а также из атмосферы молекулярного водорода через каталитически активный по отношению к водороду Р<1 электрод.

4. Исследование процессов дефектообразования при анодном окислении ваАз и нанесении Рс1 электрода с использованием КЯ как индикаторов дефектов.

Научная новизна

В данной работе впервые:

1. Получены зависимости электрических и фотоэлектрических характеристик водородочувствительных диодных МОП структур Рё/оксидАЗаАз от толщины анодного оксида и определена его оптимальная толщина для водородных сенсоров.

2. Показано, что встраивание в область пространственного заряда ваАз напряженных слоев КЯ ¡гЮаАз и КТ 1пА8 существенно увеличивает чувствительность к водороду диодов Шоттки на основе ваАз.

3. Установлено, что неполирующее травление поверхности ваАз и позволяет значительно повысить чувствительность и обнаружительный порог водородочувствительных диодов Шоттки.

4. Установлено, что при нанесении вместо сплошного островкового слоя Рс1 на поверхность окисленного ваАз сохраняется чувствительность структур к водороду и при этом значительно уменьшается дефектообразование в приповерхностной области полупроводника.

5. Показана возможность пассивации дефектов в квантоворазмерных гете-роструктурах СаАзЛи/За,.^ с КЯ и КТ при их обработке в низкоэнергетической магнетронной водородной плазме, а с Рё электродом - в атмосфере молекулярного водорода.

6. Обнаружено образование дефектов с глубокими уровнями в приповерхностной области полупроводника (на глубине до 1 мкм) при нанесении электродов из Рс1 и №.

Практическая ценность

1. Разработаны способы повышения чувствительности и обнаружительного порога водородочувствительных диодов Шоттки на ваАз, основанные на встраивании в область пространственного заряда ваАз напряженных квантоворазмерных слоев 1пАв и 1пОаА8 и неполирующем травлении поверхности полупроводника (для 81).

2. Предложены новые типы водородочувствительных сенсоров:

- на полуизолирующем ваАБ с двумя планарными Рё электродами, расположенными на окисленной поверхности на малом расстоянии друг от Друга;

- фоторезистивная планарная структура с островковым слоем Рс1 на поверхности ваАБ.

3. Показана возможность эффективной пассивации дефектов в КРС путем их обработки в низкоэнергетической магнетронной плазме водорода, а также в атмосфере молекулярного водорода (с Р<1 электродом).

4. Разработан фотоэлектрический метод выявления дефектов, образующихся при нанесении металлического электрода (Рё, №) и связанных с химическим взаимодействием металла и полупроводника. Метод основан на сравнении спектров примесной фоточувствительности диодных структур металл/полупроводник и системы электролит/полупроводник.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции "Структура и свойства твердых тел" (Нижний Новгород, 1999); I и II Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1999, 2000); II Международной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (Саратов, 2000) и опубликованы в работах [А1-А15].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В МОП диодах Pd/GaAs с тонким (до 8 нм) слоем анодного оксида существенное влияние на вольтамперные характеристики оказывают металлические мостики, возникающие в оксидном слое из-за наличия в нем микроскопических пор. Оптимальная толщина анодного оксида, предотвращающего химическое взаимодействие каталитического электрода из Pd с полупроводником и обеспечивающего высокую чувствительность, для водородных сенсоров на основе GaAs составляет 3-^5 нм.

2. Модификация поверхности GaAs путем встраивания в приповерхностную область квантовых ям InGaAs или квантовых точек InAs позволяет повысить (до трех порядков) чувствительность по обратному току и обнаружи-тельный порог водородочувствительных диодов Шотгки. Увеличение обратного тока таких диодов связано с термоактивированным туннелирова-нием электронов из металла на уровни КТ.

3. Изменение морфологии поверхности GaAs путем неполирующего травления увеличивает чувствительность к водороду ДС Pd/GaAs из-за увеличения адсорбционной активности травленой поверхности GaAs.

4. Дефектообразование при нанесении каталитического электрода на поверхность окисленного GaAs имеет в основном химическую природу и определяется материалом электрода. Концентрация дефектов в приповерхностной области GaAs при нанесении слоя Pd падает с увеличением толщины анодного оксида и уменьшением толщины Pd электрода. Нанесение вместо сплошного островкового слоя Рс1 на поверхность окисленного ОаАз приводит к значительно меньшему дефектообразованию в приповерхностной области полупроводника. При этом слой Р<3 сохраняет высокую каталитическую активность по отношению к водороду. Планарные фоторезисторы с островковым слоем Рс1 являются эффективными сенсорами водорода.

5. В диодных структурах с каталитическим Рс1 электродом пассивацию дефектов в квантоворазмерных слоях возможно осуществлять при термообработке в атмосфере молекулярного водорода. При обработке в водороде структур с несколькими слоями КЯ или с комбинированными слоями КТ и КЯ ближний к поверхности квантованный слой эффективно защищает расположенные ниже квантово-размерные слои от проникновения в них дефектов, но пропускает водород. Обработка квантово-размерных гетеро-структур в низкоэнергетической водородной плазме магнетронного разряда при оптимальных условиях обработки позволяет получить эффект усиления фотолюминесценции во втором от поверхности квантованном слое КЯ или КТ до двух порядков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении кратко сформулируем основные выводы, сделанные по результатам работы:

1. Установлены зависимости электрических и фотоэлектрических характеристик, а также чувствительности к водороду диодных МОП структур с квантовыми ямами Рё/анодный оксидЛлаАзЛпОаАБ от толщины анодного оксида, предотвращающего взаимодействие Рё с СаАэ. Показано существенное влияние металлических мостиков в тонких (до 8 нм) слоях оксида на характеристики структур. В результате эффективная толщина оксидного слоя в локальных участках, через которые в основном идет ток, оказывается значительно меньше номинальной толщины при ее малых значениях. Определена оптимальная номинальная толщина анодного оксида («3^5 нм) для водородных сенсоров.

2. На разных типах водородочувствительных структур показано, что в результате встраивания слоев квантовых ям 1пСаАз или точек 1пАб в приповерхностную область ваАэ чувствительность структур к водороду повышается в несколько раз. Данный эффект связывается в основном с задержкой напряженными квантоворазмерными слоями диффузии водорода в объем ваАБ, что приводит к увеличению его концентрации как в слое оксида, так и на границе оксида с ОаАэ. Обнаружено увеличение обратного тока диодов Шоттки при встраивании слоев КТ на близких расстояниях от Рё контакта (~ 5 нм), связанное с туннелированием электронов на уровни квантовых точек.

3. Предложен и исследован новый тип водородочувствительных структур на основе ваАБ - планарные фоторезисторы с островковым (непроводящим) слоем Рё на поверхности, обладающие высоким быстродействием. Их чувствительность к водороду обусловлена барьерной природой фотопроводимости в эпитаксиальных слоях ЭаАэ, которая определяется высотой барьера на границе Рё/оксид/ОаАБ, изменяющейся в результате хемосорб-ции атомарного водорода.

4. Показано, что диодные структуры на основе полуизолирующего ОаАэ с планарными Рё электродами, расположенными на окисленной поверхности, обладают высоким быстродействием. Чувствительность таких структур к водороду может быть увеличена нанесением на полуизолятор эпи-таксиального слоя ваАБ со встроенными напряженными квантово-размерными слоями 1пОаАБ (более чем на порядок в структурах с КТ). Во столько же раз наблюдалось улучшение обнаружительного порога в структурах с КЯ и КТ.

5. Показано, что создание травлением развитого микрорельефа на поверхности кремния в диоде Шоттки Рё/анодный оксид/81 приводит к увеличению плотности состояний на границе раздела оксид^ и значительному увеличению чувствительности структуры к водороду (на порядок) при регистрации по обратному току.

6. Установлено, что модификация поверхности полупроводника в водородо-чувствительных диодах Шоттки на основе ОаАБ путем неполирующего травления может увеличивать чувствительность к водороду почти на 2 порядка величины. Это увеличение связывается с увеличением адсорбционной активности границы раздела Рё/оксид и оксид/ваАз. Для эффекта очувствления после травления определяющим является химический состав травителя.

7. С использованием квантовых ям как индикаторов дефектов обнаружено образование дефектов при нанесении Рё электрода на естественную и окисленную поверхность ОаАБ, связанное с химическим взаимодействием Рё и СаАБ. Показано, что дефектообразование уменьшается при увеличении толщины анодного оксида и уменьшении толщины слоя Рё.

8. В КРС с комбинированными слоями КТ и КЯ обнаружен эффект экранировки первым слоем КТ или КЯ последующих квантово-размерных слоев от проникновения в них дефектов, генерируемых на поверхности структуры.

9. Установлена возможность пассивации дефектов в диодных структурах путем введения атомарного водорода через Рс1 электрод при обработке структур в атмосфере молекулярного водорода. При этом первый от поверхности слой КЯ эффективно защищает расположенные дальше кванто-во-размерные слои от проникновения в них дефектов, но пропускает водород. Это приводит к гашению ФЛ в первом слое и усилению ФЛ в других слоях.

10. Установлено, что нанесение островкового слоя Р<1 существенно уменьшает дефектообразование в приповерхностном слое ОаАэ, и при этом слой Р<1 сохраняет высокую каталитическую активность по отношению к водороду. Уменьшение дефектообразования связывается со снижением напряжений в оксидном слое, создаваемых слоем Рс1, что способствует улучшению структуры оксида и препятствует диффузионному взаимодействию ОаАэ с Р<1.

11. Изучены эффекты дефектообразования и пассивации дефектов при обработке КРС в низкоэнергетической водородной плазме магнетронного разряда. Найдены условия, при которых наблюдается пассивация дефектов в этих структурах. Установлено, что напряженной слой КЯ или КТ, расположенный ближе к поверхности, эффективно защищает внутренний объем КРС от проникновения дефектов.

12. Разработан метод изучения дефектов в полупроводниках, создающих глубокие уровни, основанный на сравнительном измерении малосигнальной фотоэдс диодных структур с металлическим и электролитическим контактами. С помощью данного метода установлены эффекты образования дефектов с глубокими уровнями в и ваАз под напыленными на их поверхность металлическими электродами из N1 и Рс1. Оценены глубина их проникновения в полупроводник, концентрация и энергетическое положение.

1. М. Stavola // Acta Phys. Pol. A, 82, 585 (1992).

2. Defect Control in Semiconductors. Ed. M. Sumino // Science Publishers B.V. (North-Holland), 1990, P. 53-59.

3. И.А. Карпович, A.B. Аншон, Д.О. Филатов // ФТП, 32 (9), 1089 (1998).

4. A.B. Евдокимов, М.Н. Муршудли, А.Е. Ржаиов, и др. // Зарубежная электронная техника, 231 (2), 3 (1988).

5. Б.Б. Кулиев // Радиотехника и электроника. 8, 1648 (1985).

6. H.Y. Nie, Y. Nannichi // J. Appl. Phys. 30 (5), 906 (1991).

7. В. Keramati, J.N. Zemel // J.Appl. Phys. 53 (2), 1091 (1982).

8. P.E. Bagnoli, A. Nannini // Solid-State Electronics. 30 (10), 1005 (1987).

9. M. Eriksson, I. Lundstrom, L.-G. Ekadahl // J. Appl. Phys. 82 (6), 3143 (1997).

10. И.А. Карпович, A.B. Аншон, H.B. Байдусь и др. // ФТП, 28 (1), 104 (1994).

11. И.А. Карпович, А.В. Аншон, Н.В. Байдусь и др. // Известия академии наук. Серия физическая. 58 (5), 213 (1994).

12. Е.М. Omeljanovsky, A.V. Pakhomov, A.Y. Polyakov // Semicond. Sci. Tech-nol. 4, 947(1989).

13. C.H. Seager, R.A. Anderson, D.K. Brice // J. Appl. Phys. 68, 3268 (1990).

14. O.B. Феклисова, Е.Б. Якимов, H.A. Ярыкин // ФТП, 36 (3), 301 (2002).

15. X.A. Абдулин, Ю.В. Горелкинский, Б.Н. Мукашев и др. // ФТП, 36 (3), 257 (2002).

16. S.J. Pearton // J. Appl. Phys. 77 (11), 6058 (1995).

17. S.J. Pearton, F. Ren, S.N.G. Chu. et al. // J. Appl. Phys. 74 (11), 6580 (1993).

18. D.M. Kozucn, M. Stavola, S.J. Pearton // J. Appl. Phys. 73 (8), 3716 (1993).

19. Y. Miyamoto et al. Appl. Phys. Lett. // 75, 2915 (1999).

20. A. Jalil, A. Heurtel, Y. Marfaing et al. // J. Appl. Phys. 66 (12), 5854 (1989).

21. Q. Liu, A. Brennemann // J. Appl. Phys. 79 (2), 710 (1996).

22. S J. Pearton, W.C. Dautremont-Smith, J.Chevallier et al. // J. Appl. Phys. 59 (8), 2821 (1987).23