Введение к работе
Актуальность темы. Проблема формирования совершенных границ раздела в гетеростуктурах на основе полупроводника GaAs актуальна в настоящее время. Создание современных оптоэлектронных элементов, приборов «спинтроники» немыслимо без качественной поверхности полупроводника с низкой плотностью поверхностных электронных состояний (ПЭС), малым количеством дефектов вблизи межфазных границ и, соответственно, центров рассеяния и безызлучательной рекомбинации, по энергии расположенных около середины запрещённой зоны полупроводника. Структурные нарушения и высокую плотность дефектов вблизи поверхности GaAs вызывает элементный мышьяк, который выделяется при химическом взаимодействии полупроводника с кислородом воздуха и плёнкой собственного оксида, при межфазных реакциях на границах металл- и диэлектрик-GaAs. Для достижения высокого качества гетерограниц был предложен ряд технологических решений, основанных на формировании халькогенидных слоев, которые предотвращают окисление и сопутствующее дефектообразование. Обработка поверхности GaAs в халькогенсодержащей среде снижает плотность ПЭС, открепляет уровень Ферми, восстанавливает зависимость высоты барьеров Шоттки от работы выхода нанесённого металла. При нанесении Se на нагретую до температуры выше 300С поверхность GaAs происходит гетеровалентное замещение мышьяка селеном, причём на поверхности имеют место исключительно связи Ga-Se, а связи As-Se отсутствуют. Мышьяк испаряется с поверхности, покрытой слоем химически инертного материала, изолирующего подложку от атомов кислорода, мышьяка и предотвращающего химические реакции с адсорбатом.
Однако механизма снижения плотности ПЭС до сих пор не установлено. Основная сложность в этом направлении заключена в том, что для каждой границы раздела необходимо детально на атомном уровне разобраться в физико-химической природе поверхностных состояний. Ранее показано, что снижение плотности ПЭС связывается с реконструкцией поверхности GaAs. Известно реконструированное состояние без ПЭС, которое наблюдается на сколотых в сверхвысоком вакууме поверхностях. При адсорбции же атомов металлов, полупроводников, металлоидов и особенно кислорода возникают ПЭС, закрепляющие уровень Ферми. Поэтому вопрос о детальной природе ПЭС и способах их устранения открыт до сих пор.
В результате кратковременной обработки в парах селена в камере квазизамкнутого объёма (КЗО) на поверхности GaAs образуется плёнка селенида галлия Ga2Se3 толщиной в несколько нанометров, которая снижает плотность ПЭС и защищает поверхность от атмосферного кислорода. В данной работе исследовано влияние таких обработок на электронные состояния GaAs.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка технологии изготовления новых наноразмерных полупроводниковых покрытий для повышения эффективности элементов солнечной энергетики», государственный контракт № 16.516.11.6084 от 08.07.2011г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка научно-технических основ повышения надежности и долговечности светодиодных световых приборов повышенной мощности в результате реализации новых технических решений по охлаждению светодиодов», государственный контракт № 16.516.11.6098 от 08.07.2011г. Работа включена в тематический план ГБ НИР «Физико-химические основы формирования наноразмерных гетерофазных систем в процессе гетеровалентного замещения» (№ гос. per. 1.1.09) и ГБ НИР «Физико-химические процессы в объёме и на границе раздела в неоднородных твёрдотельных системах» (№ гос. per. 01960012699) кафедры физики Воронежской государственной технологической академии.
Цель работы: Установление закономерностей образования электронных состояний на поверхности и в области пространственного заряда GaAs до и после обработки в парах Se2.
Основные задачи исследования:
Формирование гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из А1 и Аи на основе GaAs до и после обработки в парах Se2.
Выбор и оптимизация методик исследования диодов Шоттки с целью корректного определения параметров глубоких уровней.
Исследование поверхностных электронных состояний на реальной поверхности GaAs, полученной в результате химико-динамического полирования (ХДП).
Исследование параметров глубоких уровней в обработанном в парах Se2 GaAs на поверхности и в приповерхностной области пространственного заряда (ОПЗ).
Объекты и методы исследования. Исследовались монокристаллические подложки арсенида галлия электронного типа проводимости марки АГЧ-25а <100> толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> А толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> В толщиной (390 ± 5) мкм, а также подложки «под эпитаксию» исходные и обработанные в парах селена. Концентрация носителей заряда для различных подложек варьировалась в пределах от 10 см" до 10 см" . Структурно-фазовое состояние гетерограницы контролировалось просвечивающим электронным микроскопом типа Н-800. Электрофизические параметры диодов Шоттки изучались методами вольт-амперных характеристик (ВАХ), высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ). Электронные состояния приповерхностной области GaAs изучались методами нестационарной спектроскопии глубоких уровней (ёмкостной вариант НСГУ) и фотолюминесценции.
Научная новизна. Выбраны оптимальные режимы измерения изотермических релаксаций ёмкости и значения времён стробирования при последующем построении спектров нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ), что позволило повысить разрешающую способность НСГУ метода и контролировать параметры уровней с близкими значениями постоянной времени эмиссии.
Определено энергетическое положение ПЭС, связанных с избыточным мышьяком и планарной неоднородностью поверхности GaAs. Выявлен механизм образования обоих типов ПЭС в процессе окисления поверхности GaAs кислородом воздуха. Доказана возможность залечивания дефектов, вызывающих эти ПЭС, в процессе отжига в парах селена.
Обнаружены особенности поведения сверхстехиометричного для растущей фазы Ga2Se3 галлия - проникновение его в область пространственного заряда GaAs и модификация системы дефектов, сопровождающаяся эффектом компенсации по мере увеличения концентрации глубоких акцепторов, связанных с дефектами перестановки GaAs-
Практическая значимость. В работе определены причины возникновения ПЭС на реальной окисленной поверхности GaAs и изучен механизм их устранения при отжиге поверхности полупроводника в парах селена. Представленные результаты могут быть использованы для получения границ раздела GaAs с малым количеством дефектов. Обработкой в парах селена может быть достигнута консервация поверхности арсенида галлия в технологии подготовки пластин под эпитаксию за счёт ограничения доступа кислорода к поверхности GaAs, приводящего к нарушению планарной однородности при хранении на воздухе. Исследование поведения системы дефектов GaAs при окислении воздухом, под воздействием химических обработок и в процессе отжига в парах селена приблизило понимание атомной структуры дефектов, обнаруживаемых нестационарной спектроскопией глубоких уровней.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Запись зависимости ёмкости от времени при различных температурах в память
компьютера позволяет уже в результате одного температурного прохода получить
достаточно информации для построения множества спектров НСГУ с различными
временами выборки. Это не только экономит время исследований, но и увеличивает
разрешающую способность НСГУ-методики, поскольку позволяет разделить максимумы в
спектрах НСГУ, отвечающие центрам с близкими значениями скоростей эмиссии.
Окисление поверхности подложек GaAs в атмосфере воздуха вызывает формирование ПЭС. При непосредственном взаимодействии адсорбированного кислорода с катионной подрешёткой кристалла, а также в ходе твердофазной реакции естественного оксида с подложкой выделяется элементарный мышьяк, служащий источником ПЭС. В то время как планарная неоднородность и напряжения поверхности вызывают образование дефектов в виде точечных вакансий и вакансионных комплексов в приповерхностной области.
Обработка GaAs в парах селена залечивает как мышьячные, так и вакансионные ПЭС, а также снимает неоднородность поверхности.
В ходе обработки GaAs в парах селена сверхтехиометричный для Ga2Se3 галлий, выделяясь на гетерогранице, проникает в приповерхностную область кристалла GaAs и перестраивает систему дефектов таким образом, что увеличивается концентрация дефектов перестановки типа GaAs- Это проявляется в компенсации приповерхностной области после нескольких последовательных циклов обработок в парах селена и стравливания образующегося слоя селенида.
Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре физики Воронежского государственного университета инженерных технологий. Постановка задачи и определение направлений исследования осуществлялись д. ф.-м. н., профессором Н.Н. Безрядиным. Лично автором проведены эксперименты по получению гетероструктур типа диодов Шоттки с контактами из А1 и Аи на поверхности арсенида галлия и на обработанной в парах селена поверхности арсенида галлия с наноразмерной плёнкой Ga2Se3; исследованы вольт-амперные, вольт-фарадные характеристики, изотермические релаксации ёмкости полученных структур; закономерности изменения спектров ПЭС и электронных состояний в области пространственного заряда GaAs в зависимости от изменения состояния поверхности; разработаны модели ПЭС и состояний, обусловленных варьированием ансамбля точечных дефектов в приповерхностной области подложки в процессе обработок в парах селена. Обсуждения результатов на протяжении всей работы проведены вместе с д.ф.-м.н., профессором Н.Н. Безрядиным и к.ф.-м.н., доцентом Г.И. Котовым.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Девятой и Десятой всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2008г.), XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ'2006» (Черноголовка, 2006г.), IX международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2006 г.), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007г.), V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2010 г.), а также на отчетных XLV, XLVI, XLVII, XLVIII научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах, из которых 2 статьи в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Кроме того, в трудах всероссийских и международных конференций представлено 11 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 151 страницу машинописного текста, 52 рисунка, 4 таблицы и по структуре состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 140 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
