Электронные процессы на поверхности арсенида галлия, обработанной в парах халькогенов Котов, Геннадий Иванович

Введение к работе

Несмотря на значительные достижения в развитии кремниевых интегральных схем, в современной микроэлектронике устойчивые позиции приобретают интегральные элементы на основе арсенида галлия. Sto обусловлено определенными преимуществами арсенида галлия перед кремнием: высокая подвижность электронов, большая ширина запрещенной зоны, Еысокое удельное сопротивление собственного или компенсированного материала. Кроме того, на арсениде галлия могут быть реализованы оптоэлектронные устройства и приборы, не тлеющие кремниевых аналогов. Для эффективной работы полевых приборов на основе арсенида галлия необходимы низкая плотность поверхностных электронных состояний (ПЭС) и высокие качества самого изолирующего покрытия. Однако, до настоящего Бремени практическая реализация приборов на оснозе арсенида галлия сдерживается проблемой формирования совершенной границы раздела в гетероструктурах металл -SclAs и .диэлектрик -GdAs . т.е. границы раздела с низкой плотностью ПЭС. Поэтому целенаправленное изменение свойств поверхности арсенида галлия обработкой в парах халькогенов с целью уменьшения плотности ПЭС и исследование электронных свойств такой поверхности актуально как с практической, так и с научной точки зрения. Электрические характеристики являются одним из наиболее важных источников информации об электронных свойствах поверхности, В связи с этим исследование электрических свойств гетероструктур металл - арсенид галлия, сформированных на модифицированной поверхности, такяе актуально.

Цель работы заключалась в получении гетероструктурМв-GCiAb с барьером Шоттки с низкой плотностью ПЗС, исследовании их электрофизических свойсте и создании модели, объясняющей снижение плотности ПЗС з арсениде галлия после обработки в парах халькогенов. Достижение поставленной цели Еключадо следующие основные этапы:

1. Проведение исследований по оптимизации условий обработки поверхности арсенида галлия в парах халькогенов и получении ге-тероструктурМб-6flAs с барьером Шоттки.

2. Исследование состава и структуры поверхности арсенида галлия, обработанной в парах халькогенов.

3. Исследование электрофизических свойств границы раздела в гете-роструктурах Mfi-GflAs , сформированных до и после обработки поверхности арсенида галлия в парах халькогенов.

4. На основе анализа результатов экспериментальных исследований

создание модели, объясняющей снижение плотности ПЭС в арсениде галлия после обработки в парах халькогенов. Объекты и методы исследования. Исследовались гетероструктуры MQ-GuASc промежуточными туннельно прозрачными слоями соединений

А^¹ (Q^Sx,, Sa₂Se₂,Ga₂Те₅, Ga₂Se_5xТе₅^._Х) ), сформированными на подложках из монокристаллического арсенида галлия (100) и (III). Слои AjjBg¹ на подложках из $a.As , выращенного методом Чох-ральского, формировались методом гетеровалентного замещения в анионной подрешетке в процессе термического отжига в парах халькогенов.

Исследование состава полученных слоев А^Вд проводилось методом Оже-спектроскопии. Структура таких слоев исследовалась с помощью электронного микроскопа высокого разрешения. Электрофизические свойства гетероструктур/%? -G&AS исследовались методами еольт-фарадных (БЗО и вольт-амперных (ВАХ) характеристик, а также методом изотермической сканирующей спектроскопии глубоких уровней (1ЇССІУ) в диапазоне температур (77 - 370) л.

Научная новизна i-г практическая значимость работы заключается в том, что в ней исследованиями состава гетеропереходов Ga₂Se₃-GaAs вблизи границы раздела обнаружено влияние вида ограничения скорости роста слоев Ш^^з ^на стехиометрию состава поверхности арсенида галлия. Показано, что уменьшение плотности ПЭС от 1,4.10 ⁴эЗ см*

Т? —Т -? до 5.10 эВ см * в арсениде галлия после обработки его поверхно-

сти в парах халькогенов обусловлено образованием туннельно прозрачного слоя соединения AgBg на его поверхности и установлена корреляция плотности ПЭС на границе раздела с величиной несоответствия параметров кристаллических решеток в гетеропереходе At-JBg -GuAS Показано, что в процессе гетеровалентного замещения на полярных поверхностях подложек арсенида галлия (100) и (III) сормируется псев-доморфный слой соединения Аг,1% в неполярной кристаллографической ориентации (НО). На основе анализа экспериментальных результатов предложен механизм уменьшения плотности ПЭС в арсениде галлия после образования на его поверхности туннельно прозрачного псевдоморф-ного слоя а|Вз (НО), связанный с реконструкцией поверхности арсенида галлия. Предложено решение ряда технологически проблем, позволивших получить туннельно прозрачные псевдоморфные слои соединений А^Вд на поверхности арсенида галлия, на которых затем сформировать диода Шоттки с параметрами, близкими к расчетным, в рамках идеализированной модели Шоттки - Мотта.

Основные положения и результаты, выносимые на зашиту, сводятся к следующему:

5. Скорость роста тонких слоев соединения ВЯ-2^^5 ^на поверхности ар-сенида галлия ограничена диффузией селена, при этом на границе раздела наблюдается отклонение от стехиометрии состава арсенида галлия. После формирования туннельно прозрачных слоев вй^5б^ состав поверхности арсенида галлия соответствует стехиометрии.

6. Для достижения минимальных значений плотности ПЭС в арсениде галлия после его обработки в парах халькогенов необходимо получить туннельно прозрачные слои соединений АоВ? , при этом косоответст-

'115 YT

вие параметров кристаллических реиеток в гетеропереходе А^Зо -QuAs должно быть минимальным, что наблюдается для системы

Ga_zSe_3XTe₃fl^)-QaAs .

3. Факт открепления уровня Ферми вблизи поверхности в арсениде галлия коррелирует с отсутствием в запрещенной зоне электронного уровня с энергией 0,40+0,05 эВ ниже зоны проводимости, соответствующего распределенным ПЭС.

4. На основе результатов структурных исследований приповерхностной области арсенида галлия после образования туннельно прозрачных слоев соединения АрВз установлено, что на полярных поверхностях арсенида галлия (100) и (III) образуются слои соединения AJjB^¹ неполярной ориентации (НО).

5. Предложен механизм, объясняющий снижение плотности ПЭС в арсени-

де галлия после формирования туннельно прозрачного псевдоморфного слоя соединения AgBg .

Апообадия работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (г.Ленинград,1989), У Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Калуга,1990), УИ Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992), Международной конференции "Электронные материалы" (г.Новосибирск, 1992), Международной конференции "Передовые и лазерные технологии" (г.Москва, 1992).

Публикации. Материалы .диссертации опубликованы в II работах, цитируемых по ходу изложения текста диссертации.

Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений исследований выполнены научным руководителем д.ф.-м.н., профессором Сысоевым Б.ЇЇ. Обсуждения результатов проведены вместе с д.ф.-м.н., профессором Сысоевым Б.И., к.ф.-м.н., доцентом Безрядикым Н.Н., к.ф.-м.н., доцентом Сгрнгиным В.Д. Основные результаты и выводы диссертации получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 132 страницы машинописного текста,45 рисунков,II таблиц и по структуре состоит из введения, четырех глав,заключения к списка цитируемой литературы, включающего 133 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.