Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к фотоэлектронным свойствам реальной поверхности GaAs я InP обусловлен возрастающим применением этих полупроводниковых материалов в микро- и оптоэлектронн-ке, СВЧ-техшгке. Свойства реальной: поверхности, т.е. поверхности, прошедшей некоторый цикл механической и химической обработки п находящейся в контакте с атмосферным воздухом, существенно влияют на технические и эксплуатационные характеристики многих электронных и фотоэлектронных приборов.
К настоящему времени для етих материалов относительно хорошо изучены свойства атомарно-чистой поверхности и межфазной границы диэлектрик - полупроводник (ДП - границы) с некоторыми диэлектриками (Si02, AI2O3 и др.). Значительно меньше исследованы свойства реальной поверхности. По-видпиому, это связано с трудностями определения электронных параметров и характеристик такой поверхности и, в первую очередь, такого важнейшего параметра, как значение начальпого изгиба зон Ц> Болыпая, чем у кремния, mstpmia запрещенной зоны этих материалов и характерное для них более тин менее жесткое закреплешіе (пикнинг) уровня Ферми на поверхности ие позволяют использовать для определения 1 классический метод, основанный на измерении поверхностной проводимости, а малые времена жизни неравновесных носителей затрудняют или делают невозможным применение метода, основанного на измерении фотсэде пасыщения. Подобные затруднения возникают и при определении других характеристик реальной поверхности, например, плотности поверхностных состояний я их распределения по энергаи, скорости поверхпостпой рекомбинации и др.
Недостаточно изучен к настоящему времени, особенно для InP, вопрос о возможности управления состоянием реальной поверхности (изгибом зон) с помощью различных фнзнко - химических обработок. Хорошо известпо, что обычная рсальпая поверхность GaAs и InP находится в состояния обеднения. Вопрос о пределах изменения начального изгиба зон с помощью тех ігли ипьгх физико-химических обработок, т.е. вопрос о жесткости пиннинга па реальной поверхности практически не изучен. Между тем нахождение способов контролируемого
управления изгибом зон на поверхности имеет не только важное, методическое значение (так как исследование алектронных свойств поверхности часто сводится к изучению зависимости ее характеристик от изгиба зон), но важно и в практическом отношении, в частности, для решения технологической задачи пассивации поверхности в электронных приборах.
Проблема пассивация поверхности полупроводников А3В5 привлекает в последние годы иовишвиныА интерес исследователей. Под пассивацией поверхности обычно понимают решение трех в значительной степени независимых задач: открепление уровня Ферми на поверхности, обеспечивающего возможность создания равновесного обогащения (или инверсии) на поверхности, уменьшение скорости поверхностной рекомбинации, снижение химической активности поверхности (в частности, скорости ее окисления на воздухе). Первое важно для создания, например, полевых МДП - транзисторов, второе -для улучшения характеристик фотоэлектронных приборов (фотоприемников, лазеров и др.), третье - для обеспечения стабильности характеристик приборов.
Определенные надежды возлагаются в последние годы иа сульфидную пассивацию поверхности GaAs и некоторых других полупроводников А3В5. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, механизм сульфидной пассивации остается все еще не вполне ясным. Получены противоречивые данные н о некоторых свой-- ствах пассивированных поверхностей.
Цели работы. В связи со сказанным выше определились н основные задачи, которые решались в данной работе:
1. Исследование фотоэлектрических свойств реальной поверхности GaAs и 1пР методами фотопроводимости и поверхностной фото-аде с целью выяснения природы и механизма этих явлений, а также разработки новых методик определения фотоэлектронных параметров и характеристик поверхности.
2. ІІзучение влияния различных физихо - химических воздействии (адсорбция кислорода и паров воды, поверхностное легирование не-
которыми металлами, термовакуумная обработка, имплантация ионов Я др.) да фотоэлектрические свойства поверхности InP с целью выяснения механизма этого влияния и разработки способов контролируемого управления состоянием поверхности и ее модификации.
3. Разработка новых и усовершенствовште известных методов пассивации поверхности GaAs, изучение особенностей пасснвкрован-пой разпымн способами поверхности и механизма пассивации.
Научная новизна работы
-
В работе получили дальнейшее развитие и экспериментальное обоснование модель барьерпой фотопроводимости эшггакспальных слоев InP и GaAs и основанный на ней метод определения начального изгиба зоп на поверхности этих материалов, метод малосигнальной поверхностной фотоэде.
-
Впервые показана возможность применения метода динамического конденсатора для диагностики гетероструктур" с квантовыми ямами.
-
Показана возможность контролируемого изменения изгиба зоп на поверхности InP в значительных пределах с помощью различных поверхностных воздействий,- свидетельствующая об относительно слабом закреплении уровня Ферми на реальной поверхности. Установлена важная роль кислорода а паров воды в формирование отрицательного поверхностного заряда.
4. Впервые получены данные об изменении плотности поверх
ностных состояний вблизи с-зоны и величине изгиба зон прн модифи
цированных методах сульфидной и фосфиднон пассивации поверп-
ности GaAs. Экспериментально подтверждена модель гетероэшггак-
снальной пассивации GaAs.
Практическая ценность
1. Развитые н усовершенствованные в работе метод определения начального изгиба зон на реальной поверхности по совместным измерениям барьерпой фотопроводимости п поверхностной фотоэде, а также метод иалоеншальпой поверхностной фотоэде могут быть
использованы в качестве їффектнвішх методов диагностики и контроля состояния реальной поверхности GaAs и InP.
-
Возможность контролируемого управления величиной начального изгиба зон на реальной поверхности InP может быть использована в технологии диодов н транзисторов иа этом материале.
-
Предложенные а экспериментально обоснованные в работе модифицированные методы химической (сульфидной и фосфидной) и гетероэпитаксиальной пассивации поверхности GaAs могут быть использованы для снижения рекомбинацнонной активности поверхности в лазерах а фотоэлектронных приборах, и для создания МДП-транзнсторов.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Фотопроводимость проводящих эпитакснальных слоев InP и
GaAs при низких уровнях фотовозбуждения имеет барьерную природу.
Oida обусловлена изменением ширины поверхностного и внутреннего
барьеров при освещении. Характерным признаком барьерной фотопро
водимости является ее логарифмическая зависимость от интенсивности
освещения.
2. Разработан метод определения величины изгиба зон на
поверхности, основанный на совместных измерениях барьерной
фотопроводимости и поверхностной фотоэдс.
-
Измерения малоенгаальной поверхностной фотоэдс при малом отклонении от равновесного потенциала поверхности (т.е. при отсутствии эффекта накопления) позволяют разделить вклад барьерной и ловушечной компонент в фотоэдс и определить некоторые параметры поверхности полупроводника.
-
На поверхности InP отсутствует жесткое закрепление уровня Ферми. Различные адсорбционные воздействия позволяют управлять величиной изгиба зон в пределах 0.6 эВ.
-
Свойства приповерхиостЕїой области InP чувствительны к достаточно слабым поверхностным воздействиям. Бомбардировка ионами неона с энергией 10 квВ и дозой 1010 см-2, термовакуумный отжиг при
температуре выше 200С, сульфидпроваине поверхности при комнатной температуре приводят к заметному уменьшению подвижности электронов на краю области пространственного заряда. Дальнодей-ствующее влияние ионного облучения приводит к уменьшению дрейфовой подвижности электронов и времени жизни неосновных носителей заряда.
-
Время релаксации поверхностной фотоэдс в InP существенно зависит от состояния поверхности: замена собственного оксидного слоя на моноатомный сульфидный приводят к уменьшению Хф более чем на два порядка, а обеднение поверхности фосфором при термо-вакуумпой обработке - к полному исчезновению медленной компоненты поверхностной фотоэдс. Медленная компонента почти tie проявляется на поверхности р-ГпР.
-
Химическая (сульфидная и фосфидная) и гетероэшггакснальиая (InGaP) пассивация поверхности GaAs приводят к уменьшению изгиба зон, эффективной плотности ПС вблизи с-зоны (на 1-2 порядка) а скорости поверхностной рекомбинации.
Химическая пассивация, при которой происходит замена оксидного слоя на тонкий сульфидный иди фосфидный, обеспечивает более совершенное строение поверхности вследствие удаления с поверхности мышьяка а его окислов. Гетероэпитакс пальная пассивация обусловлена образованием достаточно совершенной гетерограницы и снижением рекомбннациоаных потоков носителей на поверхность барьером гетерослоя.
Апробация результатов. По результатам выполненных исследований опубліковано 12 статей /1-12/ и 7 публикаций в материала?' конференций /13-19/.
Осповиые результаты работы докладывались на I Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (Ленинград, 1989), Всесоюзной конференции "Фотоэлектронные явления в полупроводниках" ( Ташкент, 1989), Всесоюзной конференции" Физика полупроводников" ( Киев, 1990), X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1991), Всесоюзной конференции "Поверхность - 89" (Черпоголопка, 1989), I Национальной
конференции " Дефекты в полупроводшсках" (Санкт - Петербург, 1992)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 46 рисунков, 8 таблиц, библиографию из 159 наименований.
Похожие диссертации на Фотоэлектронные свойства реальной поверхности арсенида галлия и фосфида индия
