Энергетический спектр и электрофизические свойства переходных слоев в гетероструктурах GaAs-A23 B36 Стрыгин, Владимир Дмитриевич

Введение к работе

з

Актуальность темы. Сверхбыстродействующие интегральные схемы на >сениде галлия имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми благо-іря основным свойствам этого полупроводникового соединения. Важней-им из них является высокая подвижность электронов в электрических полях окой напряженности, что потенциально позволяет создать СВЧ - приборы с гучшенными характеристиками. Другое достоинство GaAs заключается в зльшой ширине его запрещенной зоны, что является необходимым условием іботоспособностч структур при повышенных температурах. Успехи по изго-)влению лазерных и светоизлучающих структур на основе арсенида галлия гкрывают перспективы создания на одном кристалле GaAs элементов циф-эвых, сверхвысокочастотных и оптических устройств. Кроме того, малая ве-ічина времени жизни неосновных носителей делают GaAs более перспек-тным материалом для создания радиационностойких приборов и инте-зальных схем .

Однако имеются причины, затрудняющие практическую реализацию тех реимуществ, которые может дать применение GaAs в микроэлектронике, дна из них заключается в том, что GaAs является двухкомпонентным соеди-гнием. Поэтому его поверхность более восприимчива к воздействию раз-лчн'ых химических веществ и процессов, используемых в технологии микро-іектроники, приводящих к нарушению стехиометрии состава поверхности ~руктур. Кроме того, у арсенида галлия не существует и стабильного есте-гвенного окисла, что является сдерживающим фактором для реализации эеимуществ МОП - технологии в изготовлении интегральных схем.

Из МДП структур наиболее широко исследовались гомо- и гетероморфне диэлектрические слои на поверхности арсенида галлия. Целый ряд работ ыл посвящен исследованию диэлектрических слоев, полученных разнооб-ззными методами окисления поверхности арсенида галлия и различными юсобами осаждения изолирующих покрытий на его поверхность. Несмотря а широкое многообразие использованных методов, попытки воспроизвести ежфазные свойства системы кремний - окисел кремния успеха не имели.

Основная проблема заключается в наличии высокой плотности поверхностных состояний, расположенных вблизи середины запрещенной зоны, которые ограничивают смещение поверхностного потенциала, снижая тем самым динамический диапазон полевых МДП - транзисторов.

В настоящее время наиболее развитой технологией создания СВЧ и цифровых интегральных схем является технология, основанная на использовании полевых транзисторов с затвором Шоттки. При изготовлении барьеров Шотгки на GaAs по стандартной технологии высота барьера практически не зависит от типа использованного материала и обычно находится в пределах 0.8 - 0.9 эВ . Существует множество моделей, которые предполагают участие дефектов в закреплении уровня Ферми на поверхности . Фиксация уровня Ферми на межфазной границе металл - арсенид галлия сдерживает развитие комплементарной логики в ИС на полевых транзисторах с затворами Шоттки, ограничивает перепад логических уровней, возможность снижения тока затвора и повышения помехоустойчивости .

Непрерывное повышение требований к параметрам ИС, и главным образом стремление к достижению высокого быстродействия при минимальном потреблении энергии, ведет к появлению новых идей, материалов, методов и технологий. Достижения в технологии создания гетероструктур на основе А³В⁵ с совершенной границей раздела привели к возникновению новой области науки и техники по изучению квазидвумерных электронных и дырочных систем . Новая технология привела к появлению современных приборов - селективно-легированный гетероструктурный транзистор (СЛГТ) с двумерным электронным газом, локализованным на границе раздела. Наиболее фундаментальной проблемой является наличие ловушек в донорном слое. Эги ловушки являются причиной высокого порогового напряжения и резкопкухуд-шения вольт-амперных характеристик слоя, наблюдаемых в структурах СЛГТ, охлажденных до 77 К.

В данной работе предложено использовать тонкие пленки полупроводниковых соединений А2³Вз⁶ в роли подзатворных слоев в полевых гетеро-структурах на арсениде галлия. Эти соединения являются полновалентными соединениями, кристаллизующимися в структуре сфалерита, при этом 1/3 уз-

нов в катионной полрешетке являются свободными. Высокая концентрация собственных вакансий узлов решетки приводит к аномально низким значениям подвижности носителей заряда и отсутствию примесной проводимости в них.

Расширение класса материалов, используемых в технологии микроэлек-гронных устройств на арсениде галлия, способствует оптимизации известных и разработке новых технологий, позволяющих полнее реализовать потенциальные возможности этого полупроводникового соединения.

Поверхностные свойства и свойства переходных слоев в полупроводниковых гетероструктурах относятся к наиболее важным факторам, определяющим и ограничивающим выбор технологических вариантов создания элементной базы интегральных схем.

Электрические свойства - один из наиболее важных аспектов границы раздела. Электрические характеристики границы раздела определяются электронными состояниями на самой границе раздела и характером поведения этой границы при воздействии приложенных напряжений и токов.

Энергетический спектр валентных электронов межфазной границы раздела полупроводников на гетероструктуре определяет оптические и барьерные свойства гетероструктур на их основе. Ввиду сложности кристаллической структуры халькогенидов галлия отсутствуют теоретические и экспериментальные исследования их энергетического спектра и влияния на него стехио-метрических вакансий.

Поэтому исследование электрофизических свойств твердотельных гетероструктур арсеннд галлия - халькогеннды галлия и создание на их основе электрической совершенной границы раздела представляет научный и практический интерес.

Целью данной работы является определение условий формирования полевых гетероструктур GaAs-A2³B3⁶ с низкой плотностью электронных состояний на границе раздела на основе комплексных данных об энергетическом спектре локализованных состояний переходных слоев, определяющих электрические и другие свойства этих гетероструктур. Достижение поставленной цели включало следующие основные этапы:

оптимизация технологических условий формирования гетерострук-тур GaAs-A2³B3⁶ гетеровалентным замещением мышьяка в парах халькоге-нов;

исследование энергетического спектра валентных электронов в твердых растворах GaAs-A2³B3⁶ методами рентгеноэмиссионой и рентгенофо-тоэлектронной спектроскопии;

изучение энергетического спектра локализованных электронных состояний открытой поверхности арсенида галлия методами фотоотражения и фотолюминесценции и покрытой металлами поверхности методом нестационарной емкостной спектроскопии после кратковременных обработок ее в парах халькогенов;

исследование электрических характеристик структур Шоттки Ме-GaAs с туннельно-прозрачными слоями Аг³Вз⁶ и полевых гетероструктур Ме-Ga2Se3-GaAs с резкой границей раздела;

определение механизма пассивации поверхности арсенида галлия обработкой в парах халькогенов на основе анализа экспериментальных данных.

Выбор объектов и методов исследований. Исследовались гетерострук-туры Me - Аг³Вз⁶ (Ga2S3, GaiSa, СагТез.ОагБезхТезо-х)) - GaAs, сформированные на монокристаллических подложкахОаАв, выращенных методом Чо-хральского. Слои А2³Вз⁶ формировались термическим испарением исходных соединений или гетеровалентным замещением мышьяка халькогеном при обработке подложек арсенида галлия в парах халькогенов.

Для определения состава и структуры полученных слоев использовались методы электронографии и Оже-спектроскопии. Энергетический спектр валентных электронов халькогенидов галлия и их переходных слоев в гетеро-структурах на основе арсенида галлия определялся методом рентгеновской эмиссионной спектроскопии (ЮС) совместно с методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).

Электрофизические свойства указанных гетероструктур исследовались методами вольт-фарадных (ВФХ) и вольт-амперных (ВАХ) характеристик, а также методами изотермической сканирующей спектроскопии глубоких

ровней (ИССГУ),фетоотражения (ФО) и интегральной фотолюминесценции

;ифл).

Научная новизна работы.

Впервые предложено использовать группу полупроводниковых сое
динений Аг³Вз^б для иодзатворных слоев в полевых гетероструктурах на арсе-
ниде галлия.

Определены условия формирования гетероструктур GaAs-A:³B3⁶
[ХЗагБез, Ga2S3, GaTe3, GajSe3xTe3 :енида галлия в парах халькогенов.

Впервые на основании комплексных исследований состава и энергети
ческого спектра валентных электронов с послойным анализом гетероструктур
GaAs(P)-Ga2Se(S).i методами РЭС, РФЭС и Оже-спектроскопии показано, что
структуру ЭСВЭ соединений Аг³Вз⁶ можно рассматривать как предельный
случай ЭСВЭ кристаллов А³В⁵ с большим количеством стехиометрических
вакансий.

По результатам совместных РЭС и РФЭС исследований определен разрыв валентной зоны на границе раздела гетероструктур, который позво-пил построить качественную энергетическую диаграмму.

Показано, что в твердотельных полевых устройствах на GaAs с под-затворным слоем Ga2Se3 с резкой границей раздела происходит модуляция поверхностного потенциала в GaAs внешним электрическим полем в интервале 1.4 В. При этом граница раздела содержит эффективную плотность локализованных состояний менее 10" см -²эВ'.

На основе исследований влияния стационарных токов проводимости на характеристические длины экранирования электрического поля в полупроводниковых слоях экспериментально показано, что в исследуемых полевых гетероструктурах Me - Ga2Se3 - GaAs при толщине слоев порядка К)-⁷ м распределение потенциала в слоях Ga2Se3 отклоняется от линейного лишь в узком интервале внешних напряжений.

Впервые показано, что при формировании структур Шоттки на поверхности арсенида галлия, предварительно обработанных в парах халькогенов, высота барьера определяется работой выхода металлов. Установлена

корреляция высоты барьера с величиной несоответствия параметров кристаллических решеток в гетеропереходах GaAs-A2³Eb⁶.

На основе исследований энергетического распределения локализован
ных состояний на поверхности арсенида галлия предложена модель, объяс
няющая поведение локализованных состояний и снижение их плотности при
термических обработках поверхности арсенида галлия в парах халькогенов.

Практическая значимость работы.

Полученные экспериментальные данные позволяют расширить класс материалов, используемых в технологии элементной базы микроэлектроники на арсениде галлия.

Предложенный метод формирования слоев Аг³Вз⁶ и пассивации поверхности GaAs путем термической обработки в парах халькогенов, может быть перенесен на все материалы А³В⁵.

Слои полупроводниковых соединений Аг³Вз⁶ могут быть использованы: в роли активных элементов в полевых транзисторах на GaAs; для пассивации поверхности в местах выхода р-n переходов в биполярных приборах; для межэлементной изоляции в ИС; для создания широкозонных "окон" и межполосковой изоляции в полупроводниковых лазерах на GaAs и др.

Разработанная методика определения разрыва зон на границе гетеро-структур А2³Вз⁶ - GaAs имеет общий характер и может применяться для широкого круга твердотельных структур.

Комбинированные исследования ФО/ФЛ могут использоваться для повышения эффективности излучательной способности поверхности А³В⁵. Научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение оптимальных условий получения гетероструктур GaAs-Аг³Вз⁶ с совершенной границей раздела на основе близости кристаллической структуры и подобия энергетических спектров валентных электронов соединений А³В⁵ и Аг³Вз⁶, установленного по совместным исследованиям ЮС и РФЭС.

2. Формирование слоев Аг³Вз⁶ при термической обработке в парах халькогенов поверхности А³В⁵ путем гетеровалентного замещения элемента В⁵ подложки халькогенамн В⁶ с восстановлением собственных окислов .

3. Модуляция поверхностного потенциала внешним электрическим полем по всей ширине запрещенной зоны. Возможность формирования квазидвумерного поверхностного электронного канала в GaAs, управляемого внешним полем, обусловленная низкой плотностью локализованных состояний ( менее 10" см² Эв-¹) и энергетическим барьером для электронов со стороны GaAs.

4. Управление высотой барьера в структурах Шоттки Me - GaAs с тун-нельно-прозрачными слоями А2%^б в интервале 0,4 -* 1,0 эВ путем подбора металлов с разной работой выхода электронов.

5. Возможность управления энергетическим спектром поверхностных и объемных локализованных электронных состояний путем обработка поверхности GaAs различными халькогенами. Облучение обработанной поверхности когерентным излучением (X = 632.8 нм) средними потоками мощностью ~ 100 Вт/см² снижает относительную плотность безызлучательных центров рекомбинации и замедляет процессы деградации фотолюминесценции.

Выполненную работу по совокупности положений, выносимых на защиту, можно квалифицировать как крупное достижение в физике тонкопленочных гетер о структур на арсениде галлігя. Комплексными исследованиями установлено, что обработка арсенида галлия халькогенидами приводит к пассивации поверхности и снижению плотности локализованных электронных состояний.

Личный вклад автора в диссертационную работу. Автором осуществлена постановка задач, решение которых позволило сформулировать положения, выносимые на защиту, разработаны технологии и экспериментальные методики, позволившие решить эти задачи.

Исследования проводились совместно с Б.И. Сысоевым и Э.П. Дома-шевской, в работе принимали участие В.Ф. Антюшин (глава вторая), Г.И. Котов (глава третья), Е.И. Неврюева (глава пятая), Р.И. Кузьменко (глава пятая).

Апробация работы. Всесоюзное сообщение по глубоким уровням в полупроводниках, Ташкент -1980 г.; Всесоюзная научная конференция "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники", Минск - 1985 г.;

Всесоюзная конференция по росту кристаллов, Ереван - 1985 г.; Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Минск - 1985 г.; VI Всесоюзная конференция по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействия излучения с веществом, Рига - 1986 г.; X Всесоюзная школа-семинар "Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь", Одесса - 1986 г.; Техническая школа Ильменау ГДР, г.Ильменау - 1987 г.; Всесоюзная конференция "Структура и электронные свойства границ зерен в идеалах и полупроводниках", Воронеж - 1987 г.; XV Всесоюзное совещание по рентгеновской и электронной спектроскопии, Ленинград - 1988 г.; Всесоюзное координационное совещание "Материаловедение п/п соединений группы А³В⁵", Воронеж - 1987 г.; Всесоюзная конференция по микроэлектронике, Тбилиси -

1987. г.; Всесоюзная школа по физике рыхлых и кристаллических структур, Харьков - 1988 г.; Всесоюзная конференция по росту кристаллов, Москва -

1988. г.; Всесоюзная конференция " Физические основы твердотельной электроники ", Ленинград - 1989 г.; Всесоюзная конференция по физическим процессам в п/п гетероструктурах, Калуга - 1990 г.; Всесоюзная конференция " Рост кристаллов ", Харьков - 1992 г.; Конференция по электронным материалам, Новосибирск - 1992 г.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5
глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссерта
ции составляет стр., в том числе стр. машинописного текста,

рис., табл. Список литературы содержит наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и дана краткая аннотация работы.

В первой главе на основе литературных данных рассматриваются особенности физико-химических свойств алмазоподобных соединений со сте-хиометрическими вакансиями (СВ). Аномально низкие значения подвижности носителей заряда, электрическая нейтральность СВ и примесей, расположенных в них, образование твердых растворов с GaAs, позволяют использовать эти соединения для создания полевых гетероструктур GaAs - Аг³Вз⁶ со

слоями А2³Вз^б ограниченной толщины (U < L_D). При этом при соответствующем выборе состава подзатворных слоев и технологии формирования возможно создание гетероструктур с низкой плотностью поверхностных состояний и эффективной модуляцией поверхностного потенциала внешним полем в арсениде галлия.

Далее кратко излагается предложенный в работе метод формирования слоев Аг³Вз⁶ на поверхности GaAs. Суть метода заключается в том, что при термической обработке арсенида галлия в парах халькогенов происходит ге-теровалентное замещение As халькогенамн и на поверхности формируется слой халькогенида галлия. Описаны исследования по изучению кинетики роста слоев, их состава и структуры при различных технологических условиях (температуре, давлении и состава пара халькогенов).

В исследованном интервале технологических условий рост слоев Аг³Вз⁶ на GaAs ограничивается скоростью реакции замещения

4 GaAs + З В2⁶ -> 2 Ga2B₃⁶ + - ДНреакц

или диффузией халькогена в зону реакции и мышьяка и избыточного галлия из этой зоны.

Оже-спектроскопическнми исследованиями с послойным анализом установлена диффузная граница раздела в структурах GaAs - Ga:Se3, состоящая из непрерывного ряда твердых растворов контактирующих соединений (рис. 1).

Исследованиями микроструктуры в просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения установлено, что при кратковременных обработках арсенида галлия в парах халькогенов происходит удаление естественного окисла с формированием на поверхности псевдоморфных слоев А:³Вз⁶ с параметрами кристаллических решеток, близких к арсениду галлия.

Для создания гетероструктур с резкой границей раздела в работе предложена двустадийная технология их формирования. На пассивированную поверхность GaAs с предварительным удалением окисла в парах халькогенов термическим испарением наносятся слои халькогенидов галлия. Анализ

С, ат. %

Рис. 1. Оже-профили концентрации элементов

галлия, селена, мышьяка в гетероструктуре Ga₂Se/GaAs.

влияния технологических условий на скорость роста, состав и структуру осаждаемых слоев показал, что при скорости осаждения ~ 0.02 мкм/мин и температуре подложки 650-700К на поверхности осаждаются монокристаллические слои халькогенида таллия.

Во второй главе анализируются электростатические модели полевых гетероструктур с тонкими слоями широкозонных материалов. При рассмотрении полупроводникового слоя толщиной, сравнимой с дебаевскон длиной экранирования, распределение потенциала в нем, в отличие от полубесконечного, зависит от толщины и определяется состоянием обеих границ образца. Приводятся возможные типы распределения потенциала в полупроводниковом слое ограниченной толщины в зависимости от толщины слоя, термодинамических работ выхода контактов, знака и величины поверхностного и объемного заряда в таких слоях. Рассмотренные электростатические модели справедливы для полупроводниковых слоев с пренебрежимо низкими токами

проводимости. Они удовлетворительно описывают экспериментальные результаты, полученные на кремниевых МПП структурах, так как на кремнии всегда присутствует тонкий слой естественного окисла с хорошими изолирующими свойствами. Для структур на основе GaAs необходимо проведение исследований по влиянию тока проводимости на характеристические параметры экранирования внешнего электрического поля как в отдельно взятом полупроводниковом слое, так и в многослойной гетероструктуре.

В данной работе проводится анализ поведения областей пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводниковом слое n-типа при наличии монополярного тока проводимости. Из совместного решения уравнений Пуассона и полного тока получено выражение для характеристических обратных длин экранирования ІК¹! в случае слабого отклонения от электронейтральности:

¹ ' 2eDn_d y{2eDn_d) екТ

где: j - плотность тока; е > О, D - заряд и коэффициент диффузии электрона, соответственно; n_d - концентрация доноров; є - диэлектрическая проницае-

мость; — - диффузионный потенциал. е

Показано, что при любой полярности тока величина ІК*! для одной граничной ОПЗ линейно увеличивается ІАГ¹!»——, а для другой - гиперболиче-

¹ ' eDn,

і _и e'Dn] _
ски уменьшается в зависимости от плотности тока \К * . Эти зависи-

' ' І

мости наиболее значительны для высокоомных слоев. Для случаев обогащения и обеднения получены такие же ассимптотические выражения для характеристических обратных длин экранирования |К*|.

При критической плотности тока характеристическая длина экранирования ОПЗ границы слоя, от которой идет ток, расширяется на всю толщину слоя (сі), а другая ОПЗ - сжимается. При дальнейшем росте тока распределе-

ниє потенциала в слое можно считать линейным.

В работе приводятся экспериментальные вольт-фарадные и вольт амперные характеристики полевых гетероструктур А1 - вагБез - GaAs с резкоі границей раздела (рис. 2). Из сравнения реальных токов в гетероструктурі GaAs-Ga:Se3-Al в области напряжений, обедняющих подложку основньші носителями заряда, и оценок критического тока для подложки GaAs и слоі Ga2Se3 получено, что ОПЗ в GaAs практически остается равновесной, а уро вень экспериментально наблюдаемого тока значительно ' -евышает критиче ское значение его в слое Ga2Se3. Получено аналитическое выражение дді вольт-амперной характеристики гетеросгруктуры GaAs - Ga2Se3-Al в області обедняющих напряжений:

где: іл - подвижность свободных носителей заряда; n\_x=d - концентрация элек тронов на границе Ga2Se3; & - напряженность электрического поля в сло< Ga2Se₃.

Дифференцируя выражение (2), и учитывая, что е— есть полная ем

кость структуры, получим связь между вольт-амперной и вольт-фарадной ха рактеристикамн нолевой гетеросгруктуры в области обедняющих внешни) напряжений V:

±₌^e2?L±c{V) (3)

dV є

Экспериментально показано, что вольт-амперные и вольт-фарадные ха рактеристики исследуемых гетероструктур GaAs-Ga2Se3-Me хорошо описы ваются выражениями (2) и (3).

С учетом слабой температурной зависимости подвижности ц и экспо ненцнадыюй зависимости концентрации n\_x=d, из температурной зависимосп. выражения (3) была определена высота барьера для электронов на границе

Рис. 2. а) Вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики твердотельных полевых структур GaAs-Ga₂Se₃-Al:

1. экспериментальная C-V;

2. теорегическая C-V идеальной структуры GaAs-Ga₂Sej-Al;

3. расчетная C-V с учетом КРП;

4. асимптотическое поведение C-V структуры GaAs-Ga₂Se₃-Al с учетом гиперболически уменьшающегося с напряжением заряда Q;

5. экспериментальная ВАХ структуры GaAs-Ga₂Se₃-Al;

6. расчетная ВАХ, -

б) Качественная потенциальная диаграмма данной гетсроструктуры.

GaiSep-Al. '

В области обогащающих напряжений экспериментальные вольт-амперные характеристики полевых гстероструктур GaAs-Ga2Se3-Al хорошо спрямлялись в координатах Inj - V²¹³, С учетом линейного распределения потенциала в слое Ga2Se3 было получено выражение для вольт-амперной характеристики структуры.

Из температурной зависимости тока при различных обогащающих напряжениях была установлена зависимость величины барьера для электронов на границе GaAs- GazSes от внешнего напряжения. Путем экстраполяции этой зависимости в область нулевого поля в GaiSci определена невозмущенная высота барьера кі2 = 0,65 эВ. Построена энергетическая диаграмма для гетеро-структуры GaAs- Ga:Se3-Al.

Совокупность экспериментально определенных параметров с учетом линейного распределения потенциала в слое СагБез позволила получить эмпирическую формулу для вольт-амперной характеристики исследуемых структур при обогащающих внешних напряжениях:

7*(0,25+К)ехр

'-О,55+[0,07(О,25+Г)] If

VI \

(4)

Получено хорошее согласие в линейном масштабе экспериментальной и расчетной вольт-амперной характеристик в интервале трех порядков изменения величины тока.,Это позволяет считать, что линейное распределение потенциала в слое Ga2Se3 справедливо и для области обогащающих напряжений.

Из анализа вольт-фарадных характеристик, приведенных в работе, следует, что изменение поверхностного потенциала происходит в интервале внешних напряжений ~1.4 В. На основе анализа объясняются характерные особенности вольт-фарадных характеристик исследуемых структур. Вычислена плотность граничных состояний ~ 10" эВ'см^-2.

Наличие энергетического барьера для электронов со стороны GaAs (0.65 эВ) позволяет использовать эти структуры для гетеротранзисторов с по-

верхностным каналом проводимости. Теоретические оценки поверхностной подвижности, проведенные в данной работе для гетеротранзисторных структур со слоями А2³Вз⁶ показали, что различие в эффективных массах электронов в соединениях А2³Вз⁶ и GaAs приводит к существенному росту поверхностной подвижности, обусловленному более слабым проникновением волновых функций под потенциальный барьер.

Более подробный анализ полевой зависимости энергии активации для вольт-амперных характеристик в области обогащающих напряжений структур Al-Ga2Se3-GaAs показал, что количественное согласие экспериментальных и расчетных характеристик достигается с учетом аддитивного эффекта туннельной прозрачности вершины треугольного барьера и квантования энергии электронов в обогащающем слое GaAs (рис. 2 б). Характер энергетической диаграммы обеспечивает возможность формирования электронного поверхностного канала проводимости в GaAs, модулируемого внешним электрическим полем.

Третья глава посвящена исследованиям структур Шоттки на основе ар-сенида галлия с тонкими промежуточными слоями Аг³Вз⁶. В работе приводится анализ литературных данных по исследованию природы фиксации уровня Ферми на поверхности GaAs покрытого слоями различных металлов. Из-за многообразия явлений, ответственных за этот факт, в литературе нет единой модели, объясняющей все экспериментальные данные, посвященные исследованию природы ПЭС в структуре Шоттки. Большинство исследователей используют дефектную модель для объяснения своих результатов. Эти дефекты обуславливают нарушение стехиометрии бинарного соединения GaAs и приводят к появлению ПЭС.

В работе предложено перед нанесением металлов на поверхность GaAs проводить предварительную,обработку ее в парах халькогенов с целью удаления естественного окисла и формирования тонкого слоя халькогенидов Аг³Вз⁶. Проведены систематизированные исследования вольтфарадных и вольтамперных характеристик этих структур. Установлено, что туннельно-прозрачные слои AiW снижают плотность ПЭС в структурах Шоттки и высота барьеров в них становится функцией работы выхода металлов. Нан-

большее снижение плотности ПЭС достигается при использовании слоев Ga2SexTe3-x, у которых постоянная решетки наиболее полно согласуется с решеткой подложки арсенида галлия (рис. 3). Следовательно, основной причиной открепления уровня Ферми в структурах Me-GaAs можно считать образование СЛОЯ A2³Bj⁶.

1,0-

0,8

&0,6 0,44

\~

_л-

І-

$ б 4

0,2

5,2

5,4

—і— 5,6

5,8

6,0 ^а>^Л

Рис. 3. Зависимость значений высоты барьера Шоттки в

структурах Аи-А"¹ B^v₃ -GaAs (а); А1-А'" B^v₃' -GaAs (б) от величины постоянной кристаллической решетки промежуточного слоя A¹" B^v₃. Точкам соответствуют различные фазы промежуточного слоя (в скобках значения а, А ): 1 — Ga₂S₃ (5,18); 2 — Ga₂Se,(5, 42); 3 — Ga₂Se₃ ^,,,(-5,65); 4 — Ga₂Te₃ (5,89).

Снижение ПЭС с использованием слоев Аг³Вз⁶ другого состава и отсутствие полного согласования постоянных кристаллических решеток объясняется формированием псевдоморфных слоев, которые "подстраиваются" под структуру подложки с максимальной степенью согласования плотностей связей на элементарную ячейку. Электронограммы приповерхностных областей GaAs (100) и (111) после кратковременных обработок в различных халькогенах свидетельствуют об образовании слоя соединения Аг³Вз⁶ в непо-

лярной кристаллографической ориентации (ПО). С точносгью, характерной для метода электронографии, параметры кристаллических решегок соединений Аг³Вз⁶ когерентно соответствуют решетке арсенида галлия.

Высота барьера Шоттки в таких структурах варьируется в интервале О.ФНЭВ в зависимости от работы выхода металлов, что заметно приближается к расчетной зависимости Шоттки-Мотта, полученной для идеальных контактов металл-полупроводннк (рис. 4).

Г)

4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 ф„, _ЭВ

Рис. 4. Зависимость высоты барьера Шоттки от работы выхода металла в структурах Ме-GaAs, сформированных до (1) и после (2) обработки поверхности GaAS в парах селена.

Четвертая глава посвящена изучению энергетического спектра валентных электронов полупроводниковых соединений Аг³Вз⁶ и твердых растворов А2^яВз⁶ - А³В⁵. Из сравнительного анализа свойств границ раздела в гетеро-структурах GaAs-Ge и GaAs-GaxAli.*As следует, что для получения совершенных границ раздела недостаточно одного геометрического совпадения кристаллических структур контактирующих материалов. Для изучения ЭСВЭ соединений Аг³Вз⁶ в сравнении со спектрами А³В⁵ в работе использован ком-

плексный метод совместного рассмотрения рентгеноэмиссионных (РЭС) и рентгеновских фотоэлектронных спектров (РФЭС). Преимущество этого метода заключается в том, что один метод, рентгеноспектральный - дает возможность получить сведения о парциальном вкладе тех или иных состояний каждого элемента в общую картину энергетического спектра валентных электронов соединения, а второй - метод РФЭС - интегральную картину ЭСВЭ. Кроме того, точное совмещение рентгеновских спектров разных компонент возможно только с использованием данных РФЭС по энергии связи остовных уровней.

Этими исследованиями установлена близость структуры валентных зон соединений А:³Вз⁶ и А³В⁵.' Валентная зона Аз³Вз⁶ также, как у соединений А³В⁵, состоит из трех подзон: л-подобной, образованной ^-состояниями аниона, подзоны со смешанными /^-подобными состояниями анионов и i'-подобиыми состояниями металлов и подзоны, образованной главным образом р-подобными состояниями аниона. Отличительные особенности проявляются в распределении плотности состояний у потолка валентной зоны, которые выражаются в сглаживании структуры ЮС, увеличении его полуширины. Аналогичное поведение РЭС наблюдаются для сильнолегированных полупроводников А³В⁵. Таким образом, структуру валентной зоны соединений А2³Вз⁶ можно рассматривать как предельный случай кристаллов А³В⁵, с большим количеством вакансионных стехйометрических дефектов. Исследования твердых растворов А³В⁵ - Аг³Вз⁶ показали монотонный характер изменения плотности состояний в пределах валентной зоны при изменении состава во всей области неограниченной растворимости этих соединений. Наличие энергетического разрыва потолка валентной зоны в соединениях вегБз и GaAs, позволяет построить качественную энергетическую диаграмму гетероструктур на их основе, совпадающую с аналогичной, полученной из электрических измерений.

Эти исследования подтверждают обоснованность выбора соединений А2³Вз⁶ для создания полевых гетероструктур на GaAs с низкой плотностью локализованных состояний на границе раздела.

В пятой главе методами нестационарной емкостной спектроскопии, фотоотражения и фотолюминесценции исследуются энергетический спектр и рекомбинационные свойства электронных состояний в приповерхностной области арсенида галлия, обработанного в парах различных халькогенов. Из анализа экспериментальных данных рассматриваются возможные механизмы пассивации арсенида галлия.

В энергетическом спектре исходного арсенида галлия (без предварительной обработки в парах халькогенов) присутствуют четыре пика с энергиями активации: Е(П\) = Е_с - 0,20 эВ; Е(ПІ) = Е_с - 0,32 эВ; Е(Пъ) = Е_с - 0,40 эВ; Е(Па) - Е_с- 0,68 эВ, положение которых хорошо согласуется с результатами других авторов. Исследования и анализ поведения амплитуды пиков П\ - 77* от величины напряжения инжектирующего импульса и обратного смещения позволили в энергетическом спектре исходного GaAs выделить два типа электронных уровней:

распределенные однородно по объему полупроводника (77і; Пі\ Па);

локализованные вблизи поверхности (77з).

После обработки поверхности в парах халькогенов в оптимальных режимах из спектра исчезает уровень Лз и вдвое снижается амплитуда сигнала изотермической сканирующей спектроскопии глубоких уровней (ИССГУ) объемных центров. Кроме того, появляется слабый сигнал, соответствующий уровню Е{Пі) - Е_с - (0,025 * 0,100) эВ и свойствами, характерными для электронных уровней, локализованных вблизи поверхности. Вероятно, уровень 77s обусловлен мелкими донорными состояниями - халькоген на месте мышьяка, возникающими в процессе гетеровалентного замещения. Использование контактов из алюминия, никеля и золота не оказывают какого-либо влияния на энергетический спектр электронных уровней и их концентрации.

Из сравнительного анализа данных ИССГУ следует, что в спектрах структур Me-GaAs с высокой интегральной плотностью поверхностных электронных состояний присутствует уровень 77з. В спектрах структур Me-GaAs, сформированных после кратковременной обработки в парах любого из халькогенов (сера, селен, теллур) уровень 77з отсутствует, что коррелирует с уменьшением интегральной плотности ПЭС в таких структурах. С увеличени-

ем толщины образовавшегося слоя Аз'Вз⁶ механизм роста меняется с кинетического на диффузионный и нарушается стехиометрический состав границы раздела. Энергетические спектры восстанавливаются до исходных.

Известно, что в условиях сверхвысокого вакуума полярные поверхности GaAs (100) и (111) реконструируются таким образом, что поверхностные слои имеют симметрию, отличную от объемной, чаще всего близкую к неполярной плоскости (ПО). Подобная релаксация поверхности GaAs приводит к уменьшению плотности ПЭС. Как уже отмечалось, при кратковременных обработках в парах халькогенов поверхностей GaAs (100) и (1.11) формируются псев-доморфные слои Аг'Вз⁶ ориентации (110). Подобные обработки восстанавливают естественный окисел на поверхности GaAs, отлегчают релаксацию поверхности GaAs, на которой формируется слой А:³Вз⁶ и выполняют функции стабилизирующего слоя, удерживающего соответствующую реконструкцию приповерхностной области арсенида галлия.

Для анализа спектров фотоотражения использовалась обобщенная ыно-гослоевая модель с частичной модуляцией поля. С помощью ФО-спектров доказано снижение плотности заряженных дефектов на поверхности GaAs при обработках ее парами халькогенов.

Комбинированными исследованиями при одновременной регистрации спектров ФО и фотолюминесценции установлено, на арсениде галлия с пассивированной поверхностью халькогенами наблюдается повышение эффективности фотолюминесценции с одновременным снижением величины электрического поля на поверхности (рис. 5). Причем, как видно из рисунка, снижение относительной плотности безызлучательных центров рекомбинации наблюдается при сравнительно низких плотностях потока мощности (~ 100 Вт/см²) фотовозбуждения лазерным излучением (X = 632.8 нм). Кроме того, в этих случаях замедляются процессы, ответственные за деградацию фотолюминесценции.

Таким образом, на основе анализа комплексных исследований можно утверждать о наличии нескольких механизмов снижения интегральной плотности электронных состояний на поверхности арсенида галлия, пассивированной халькогенами: 1) близость химических связей GaAs и А2³Вз⁶ при сов-

є-Ю^В/м

Рис. 5. Комбинированные исследования

фотолюминесценции (кривые 1, 2, 3) и величины напряженности электрического поля поверхности GaAs (кривые Г, 2'), обработанной в парах селена.

1. — плотность фотовозбуждеиия 100 Вт/см

2. — плотность фотовозбуждения 200 Вт/см

падении параметров кристаллических решеток позволяют формировать резкие совершенные границы раздела в гетероструктурах на их основе; 2) при незначительном несовпадении постоянных решеток (~ 3 %) особенность соединений Аг³Вз⁶ (высокая концентрация стехиометрических вакансий) позволяет формировать на поверхности GaAs тонкие псевдоморфные слои Аг³Вз⁶, в которых совмещение кристаллических решеток происходит так, что совпадают кристаллографические направления (100) подложки и (110) пленки. При этом достигается максимальное совпадение плотностей валентных связей; 3) в процессе обработки поверхности GaAs происходит сегрегация объемных дефектов, что влечет за собой снижение интегральной ПЭС.