Введение к работе
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 высокотемпературиыми методами, не привели к положительному результату. В подавляющем большинстве таких МДП-структур не удалось реализовать качественную границу раздела диэлектрик-GaAs 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 атомарночистой (полученной скалыванием в сверхвысоком вакууме) поверхности GaAs. Однако адсорбция даже незначительного количества инородных атомов (0.1 монослоя) приводит, к резкому возрастанию плотности поверхностных состояний (ПС) в запрещенной зоне и, как следствие, к закреплению уровня Ферми. Причем, плотность образующихся при этом ПС настолько велика, что дальнейшая адсорбция практически не меняет его положение. Более того, показано, что поверхностный потенциал в GaAs слабо зависит от природы адсорбага ив несколько большей степени определяется ориентацией поверхности GaAs.
Несмотря на это, поисковые работы по созданию МДП-структур с малой плотностью ПС на основе GaAs продолжаются. Обнадеживающие результаты достигнуты при использовании в качестве подзатворного диэлектрика полуизолнрующего монокристаллического слоя твердого раствора Al05Ga05As, выращенного методом молекулярно-лучевой или газовой эпитаксии. Однако промышленный выпуск МДП-транзнсторов на основе GaAs пока не реализован. Имеется большая серия работ, в которых показана возможность изменения плотности ПС на границе раздела или свободной поверхности GaAs за счет: обработки ее денонизованной 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 GaAs, либо для контактов металл-GaAs 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 GaAs и его границы раздела с различными изоляторами.
Данная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы "Исследование фундаментальных физико - химических закономерностей
*
формирования монокристаллов, тонкопленочных структур и фаниц раздела на арсениде галлия (н 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 МДПчггруктур. Для достижения поставленной цели были проведены следующие работы:
-
Изучены особенности вольтфарадных характеристик (ВФХ) и вольтсименсных характеристик (ВСХ) МДП-структур на основе п- и p-GaAs с различными диэлектриками, полученными низкотемпературными способами нанесения.
-
Исследована возможность изменения плотности ПС и поверхностного потенциала путем введения халькогенидных элементов (ХГЭ) в приповерхностные слои арсенида галлия.
-
Изучено влияние термического отжига в комнатной атмосфере и в атмосфере водорода на электрические характеристики МДП-структур, в зависимости от температуры синтеза диэлектрических слоев.
-
Подобраны условия воздействия импульсного лазерного излучения на границу раздела діилсктрик-п(р)-СаА5, при которых снижается плотность НС и уменьшается частотная дисперсия ВФХ и ВСХ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Изучено влияние термического отжша в комнатной атмосфере и в водороде на электрические 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 т,<10"3-1ІЇ*с) уменьшается в (2-Ю) раз.
Впервые исследовано влияние ХГЭ на электрические характеристики
границы раздела n(p)-GaAs-fljianeKTpHK. 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
Изучено влияние НЛО на МДП-структуры на основе OaAs, в приповерхностный слон которого введены ХГЭ. Показано, что результат действия ИЛО с W 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 эгжнг 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 напряжений, примерно :овпадаюшим с изменением емкости на ВФХ для идеальной МДП-структуры. На зашиту выносятся следующие положения: [. Особенности поведения электрических характеристик МДП-структур на основе п- и p-GaAs с различными диэлектриками обусловлены высокой плотностью ПС 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 зависит 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 Под действием ИЛО плотность быстрых и медленных поверхностных состояний изменяется в противофазе. Воздействие лазерного излучения с W Результат действия ИЛО с W 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 Lasser-Matter Interaction (NLMI-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.
Похожие диссертации на Исследование возможности управления электрическими характеристиками МДП-структур на основе арсенида галлия
