Электронные процессы в полевых гетероструктурах на основе системы Ga2 Se3 Si Кузьменко, Татьяна Алексеевна

Введение к работе

Актуальность работы: Полевые приборы на основе системы диэлектрик-юлупроводник (ДП) наиболее широко используются в качестве элементов ин-ефальных схем (ИС) современной микроэлектроники. Их основные характе-ристнки - электрическая прочность, стабильность и быстродействие определя-этся как свойствами используемых полупроводниковых и диэлектрических іатериалов, так и технологическими способами формирования.

Основой кремниевой микроэлектроники остается система термическая :вуокись кремния - кремний (SIO2-S1). Гетероструктурам, включающим эту истему свойственна зарядовая нестабильность, связанная с центрами локали-ации в объеме слоев, на границе раздела и ионным дрейфом в слое диоксида ремния, а также низкая подвижность носителей заряда в приповерхностной 'бласти кремния, определяемая неоднородностью границы раздела SiCVSi. Сохраняется актуальность задач, направленных на улучшение этих характери-тик кремниевых приборов. В частности это возможно при использовании но-ых материалов для подзатворного слоя, образующих с кремнием гетеропере-од с более совершенной границей раздела и способных выполнять функции одзатворного диэлектрика. С этой точки зрения наиболее интересен класс ал-[азоподобных широкозонных полупроводников со стехиометрическими ва-ансиями (AB₅^VI), обладающих слабой чувствительностью электрических войств к вводимым примесям, низкой подвижностью и концентрацией сво-одных носителей заряда, высокой радиационной стойкостью. Условие их ис-ользования в качестве подзатворных слоев (ГГ) структур типа МП'П d«Lo 1ц- дебаевский радиус экранирования, d - толщина слоя П'). В этом случае онкий слой П' в отношении экранирования электрического поля подобен ди-пектрическому. Большинство полупроводников A^Bj' кристаллизуются в ре-іетке типа сфалерит, поэтому существует возможность создания более совер-іенной фаницы раздела с кремнием путем подбора материала с параметрами ристаллической решетки соответствующими параметрам подложки.

Цель работы: формирование гетероперехода на основе кремния с тонким поем широкозонного полупроводника из класса материалов AB₃^VI и исследо-ание электронных процессов в полевых гетероструктурах на основе этого ге-;роперехода.

Основные задачи исследования вытекают непосредственно из цели рабо-ы:

1. Выбор материала из класса шнрокозонных полупроводниковых соеди-

нений АВ^' для подзатворного слоя полевой гетероструктуры на оси кремния.

1. Изучение условий формирования тонких слоев селенида гал (Ga₂Se₃) на кремниевой подложке.

2. Исследование структуры и электрофизических характеристик тон слоев Ga₂Se3 на Si-подложках.

3. Исследование электронных явлений на границе раздела Ga₂Se₃-Si в левых гетероструктурах Al(Ni)-Ga₂Se3-Si.

Объекты и методы исследования. Использовались подложки Si (ЮС (111) с удельным сопротивлением (І-И0) Ом-см, отмытые по стандартной і пологий, используемой в производстве ИС. Кроме гетероперехода Ga₂Se исследовались системы Si0₂-Si и Ga₂Se3-Si0₂-Si. В качестве металличес электродов использовались напыленные через маску слои А1 или Ni.

При исследовании условий формирования слоев Ga₂Se₃ и GaAs испс зовались методы: рентгеноструктурного аначиза, масс- и Ожс-электрош спектроскопии, рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), электроног фии в отраженных лучах.

Электрофизические характеристики гетероструктур исследовались годами вольт-фарадных (C-V) и вольт-амперных характеристик (ВАХ), а таї методами частотной зависимости дифференциальных проводимости и емко в диапазоне частот тестового сигнала (10^:-П0⁶) Гц и интервале темпера (90-300) К.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

разработан способ получения слоев сильно диссоциирующих единений с инконгруэнтным характером испарения в квазизамкнутом объем получены монокристаллические слои Ga₂Se₃ и GaAs на Si с предварителы очисткой кремния от естественного оксида потоком атомов галлия. При ос; дении слоев GaAs на Si в качестве согласующего слоя использованы cj Ga₂Se₃ и твердые растворы в системе GaAs-Ga₂Se₃;

для тонких полупроводниковых слоев Ga₂Se₃ на кремнии устан лены механизмы токопрохождения: в изотипных структурах Al-Ga₂Se₃-Si' типа) при обогащении приповерхностной ОПЗ кремния основными носителя заряда - механизм ТОПЗ; при обеднении - механизм Шоттки, обусловленн электронными переходами на фанице раздела Ga₂Se₃-Si. Из анализа фотої жекцнонных токов определены величины разрывов зон на границе разді

32Se3-Si: -0,7 эВ для дна зоны проводимости и -0,14 эВ для потолка валент-эй зоны;

исследованы электронные процессы на границе раздела Ga₂Se₃-Si и :тановлена связь спектра поверхностных состояний с высокотемпературным эздействием на Si-подложку в процессе формирования гетероперехода a2Se₃-Si. Дано объяснение увеліічения плотности электронных состояний грани раздела Ga₂Se₃-Si и Si02-Si после высокотемпературной обработки, при эздействип у-облучения формированием кислородосодержащих комплексов в риповерхностной области Si-подложки. Предложен способ снижения плотно-ги поверхностных состояний воздействием на границу раздела импульсной отонной обработкой (ИФО).

Практическое значение результатов работы определяется следующим.

Предложен и разработан способ формирования тонких полупроводни-эвых слоев в квазизамкнутом объеме из независимых источников элементар-ых компонентов, позволяющий получать совершенные по структуре пленки лльно диссоциирующих соединений с инконгруэнтным характером испаре-ия.

Использование тонких пленок Ga2Se₃ в качестве переходного , согла-ующего слоя между кремнием и арсенидом галлия, позволяет получать моно-ристаллические слои GaAs на Si.

Предложен способ снижения плотности состояний границы раздела ia2Se₃-Si воздействием ИФО.

Экспериментально обоснована возможность использования слоя Ga₂Se₃ качестве пассивирующего покрытия для структур SiOj-Si при радиационных содействиях (облучение у-квантами).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Способы формирования тонких слоев Ga2Se₃ на кремнии из незави-
имых источников элементарных компонентов (Ga и Se) с предварительной
чисткой Si-подложки потоком атомов галлия при Т-1070 К в КЗО и монокри-
галлических пленок GaAs на Si в КЗО с использованием в качестве переход-
ого слоя Ga₂Se₃ или ряда твердых растворов в системе GaAs-Ga₂Se₃.

2. Электронные процессы на границе раздела Ga₂Se₃-Si, полученной как
предварительной очисткой поверхности кремния от естественного оксида

зк и без нее, определяются поверхностными состояниями, распределение ко-эрых по энергии подобно наблюдаемым на границе раздела SiOj-Si. Это объ-

ясняется в рамках модели, учитывающей формирование подслоя SiO_x в резулі тате коапесценции на межфазной границе кислородосодержащих комплексо из приповерхностной области кремния, происходящей в процессе температур ного воздействия на Si-подложку при осаждении слоя Ga₂Se3.

3. Снижение плотности поверхностных состояний границы раздел Ga₂Se₃-Si, образовавшихся в результате высокотемпературного воздействи (Т~1070 К), возможно применением импульсной фотонной обработки, роль кс торой также объясняется в рамках модели, учитывающей трансформацию час ти кислородосодержащих комплексов SiO_m в пограничную фазу SiO_v

Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений ис следований выполнены д.ф.-м.н., профессором Сысоевым Б.И. и д.ф.-м.н., ст научн. сотр. Безрядиным Н.Н.. Результаты работы получены лично автором, обсуждение их проведено совместно с д.ф.-м.н. Безрядиным Н.Н.. Основны результаты и выводы получены лично автором.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывалис и обсуждались на II (г. Кишинев, 1986г.), III (г. Кишинев, 1991 г.) Всесоюзны: конференциях "Физические основы надежности и деградации полупроводни ковых приборов"; II Всесоюзной конференции "Структура и электронные свой ства границ зерен в металлах и полупроводниках" (г. Воронеж, 1987 Г.); Меж вузовской конференции молодых ученых "Наука и ее роль в ускорении научно технического прогресса" (г. Воронеж, 1987 г.); 32 (1987 г.) и 35 (1990 г.) Меж дународных научных коллоквиумах (г. Ильменау, Германия); XII Всесоюзно! научной конференции по микроэлектронике (г. Тбилиси, 1987г.); І Всесоюзної конференции по физическим основам твердотельной электроники (г. Ленин град, 1989 г.); II сессии секции кристаллохимии научного Совета по химиче ской кинетике и строению АН СССР по проблемам прикладной кристаллохи мии (г. Воронеж, 1989 г.); V Всесоюзной конференции по физическим процес сам в полупроводниковых гетероструктурах (г. Калуга, 1990 г.); III Всесоюзної конференции "Физика окисных пленок" (г. Петрозаводск, 1991 г.); VIII Всесо юзной конференции по росту кристаллов (г. Харьков, 1992 г.); I Национально! конференции "Дефекты в полупроводниках" (г. Санкт-Петербург, 1992 г.) Конференции по электронным материалам (г. Новосибирск, 1992 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 22 печатных ра ботах, цитируемых по ходу изложения текста диссертации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, че

ырех глав, заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, іключая 33 рисунка и список литературы из 183 наименований.