Введение к работе
Актуальность темы. Успехи в развитии радиационной технологии, ионного и трансмутационного легирования, исследования радиационной стойкости во многом определяются достижениями радиационной физики твердого тела. Эффективное решение практических задач требует глубоких знаний о процессах эбразования, стабилизации и отжига радиационных дефектов. Вид, концентрация, пространственное распределение и термическая стабильность радиационное дефектов определяют свойства облученных твердых тел, поэтому исследо-зание закономерностей формирования и отжига этих дефектов является акту-ыьной задачей современной физики твердого тела. Особенно важны эти вопросы для полупроводниковых материалов и приборов на их основе, так как дефекты в очень сильной степени влияют на их важнейшие электрические, опти-іеские и фотоэлектрические характеристики.
Характерной особенностью большинства полупроводниковых приборов яв-іяется то, что они содержат области различного уровня легирования и типа іроводимости, что приводит к появлению областей пространственного заряда ОПЗ). Более того, ОПЗ могут присутствовать в объемных и пленочных полу-іроводниковьіх материалах. Это -межкристаллитные границы в поликристал-іах, кластеры основных элементов в соединениях, выращенных с нарушением пгехиометрического состава и, наконец, так называемые области разупорядоче-[ия (ОР) в материалах, подвергнутых облучению быстрыми нейтронами или юнами. Наличие в полупроводниках НО (т.е. нейтральных областей) и ОПЗ и, ледователыю, различное положение уровня Ферми или квазиуровня Ферми ітносительно уровней "глубоких" дефектов приводит к различию их зарядовых остояний. Имеются основания считать, что процессы образования и отжига іадиационньїх дефектов (РД) в полупроводниках в значительной степени кон-ролируются их зарядовыми состояниями, а это может приводить к особенно-тям процессов накопления и отжига РД в этих областях. Поэтому сравнительна изучение образования и отжига в НО и ОПЗ может оказаться мощным ин-грументом изучения роли зарядовых состояний дефектов в процессах образо-ания и отжига РД. В последние годы, особенно с развитием методов нестацио-арной емкостной спекгроскодаи-сдубоких уровней (НЕСГУ), возникли пред-осылки для экспериментального исследования этих процессов и построения бщего подхода для анализа этих явлений в полупроводниках. Можно отме-ить, что до постановки настоящей работы экспериментальным особенностям бразования и отжига РД в НО и ОПЗ полупроводников не уделялось достаточ-ого внимания.
Кроме того, наличие ОПЗ и, следовательно, встроенных электрических полей полупроводниковых материалах и структурах на их основе может приводить к особенностям проявления РД в экспериментальных исследованиях. Напри-ер, встроенные электрические поля, создаваемые ОР, могут влиять на скорость миссии электронов с глубоких уровней и тем самым искажать форму и место-
положение пиков НЕСГУ. Такая проблема существует, например, при исслея вании широкой полосы (U-нолосы) в спектрах НЕСГУ GaAs, облученного б: стрыми нейтронами.
Все изложенное выше определяет актуальность исследования влияния зар довых состояний радиационных дефектов на их образование и отжиг в пол проводниках, а также влияния внутренних электрических полей на спектр НЕСГУ.
Непосредственно в диссертации рассматривались полупроводниковые с единения GaAs и 1пР, которые относятся к наиболее важным материалам тве дотельной электроники. Эти материалы и твердые растворы на их основе ш роко применяются для изготовления различных полупроводниковых приборе таких как варикапы, смесительные и генераторные диоды, инжекционные ла; ры, светодиоды и интегральные схемы. Особенности бинарных полупроводн ковых соединений группы А3В5 и, прежде всего, наиболее изученного ере; них GaAs состоят в слабой зависимости процессов накопления радиационш дефектов от примесного состава материала в широкой области температур о лучения, в хорошей воспроизводимости энергетического спектра РД в матери лах. выращенных различными способами, и незначительном различии спект РД в образцах, облученных при низких температурах и температурах вбли ЗООК, а также в высокой скорости накопления дефектов, приблизительно сое ветствующей скорости генерации первичных РД. Эти данные указывают на т что в этих полупроводниках накапливаются, в основном, первичные РД. Э существенно отличает данные полупроводники от атомарных и. прежде все от кремния, в котором в широком интервале температур накапливаются вт ричные дефекты типа дивакансий или комплексов вакансия-химическая пр месь. Указанные особенности позволяют при анализе экспериментальных да ных использовать представления о первичных РД и развить количественш модели метастабильных пар вакансия (У)-междоузельный атом (I), предложе ные в ранних работах Вертхейма, Клонтца, Мак-Кея применительно к НО ОПЗ исследуемых материалов.
В технологии изготовления полупроводниковых приборов, особенно бол ших интегральных схем, широко используется ионное легирование. Метод ио ного легирования включает в себя операцию постимплантационного отжига, результате которого происходит электрическая активация внедренных атомов отжиг дефектов, образовавшихся после бомбардировки полупроводника ион ми примеси. Существующие методы электрической активации внедренной GaAs примеси, как правило, резко снижают подвижность свободных носител заряда и/или приводят к уменьшению удельного сопротивления полуизол рующей подложки. В связи с этим, является актуальным поиск нового спосо постимплантационного отжига.
В качестве структур для исследований были выбраны СВЧ-структуры на с нове барьеров металл/полупроводник (барьер Шоттки), поскольку они мог быть использованы как модельные структуры при изучении особенностей к
копления и отжига радиационных дефектов в большинстве полупроводниковых приборов (р/п переходы, гетеропереходы, транзисторы, тиристоры и. т.д.).
Цель и задачи работы. Получение закономерностей образования и отжига радиационных дефектов в нейтральном объеме и области пространственного заряда арсенида галлия и фосфида индия, а также, на основе полученных данных, построение физических моделей этих процессов с учетом динамики преобразований зарядовых состояний дефектов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1 .Экспериментальное исследование энергетического спектра, скоростей накопления и термической стабильности РД в НО и ОПЗ структур на основе GaAs и InP при изменении энергии, интенсивности пучка, типа бомбардирующих частиц и температуры облучения;
2,Изучение пространственного распределения "глубоких" радиационных дефектов при различных напряженностях электрических полей в ОПЗ барьеров Шоттки, задаваемых напряжением смещения при облучении;
3.Разработка физических моделей и получение аналитических выражений для количественного описания процессов накопления и отжига радиационных дефектов в ОПЗ и НО барьеров Шоттки исследуемых материалов;
4.Разработка физической модели и получение аналитических выражений, пригодных для описания спектров НЕСГУ в полупроводниках с ОР (облучение быстрыми нейтронами, тяжелыми или высокоэнергетическими ионами); исследование природы широкой полосы (U-полосы) в спектрах НЕСГУ n-GaAs, облученного быстрыми нейтронами и высокоэнергетическими протонами;
5.Изучение воздействия пучков высокоэнергетических электронов на электрофизические характеристики ионнолегированньгх структур (ИЛС) арсенида галлия и разработка низкотемпературного способа постимплантационного отжига таких структур с помощью облучения электронами.
Для решения поставленных, задач использовались следующие методы исследований: нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней, измерения термостимулированной емкости и фотоемкости, изохронный и изотермический отжиги, облучение у-квантами, электронами, протонами, а-частицами, дейтронами, быстрыми нейтронами и ионами при различных внешних условиях (температура облучения, интенсивность и энергия бомбардирующих частиц, внешнее смещение приложенное к барьеру Шоттки).
Научная новизна результатов работы защищена публикациями в центральной печати и авторскими свидетельствами. Новизна основных результатов работы определяется следующим:
1 .Экспериментальными результатами изучения образования в областях пространственного заряда дефектов ЕЗ, Е4, Е5 в GaAs и дефектов ЕЮ в InP, физическими моделями процессов образования этих дефектов и модельными расчетами этих процессов; экспериментальными результатами изучения отжига центров ЕЗ и Е5 в ОПЗ GaAs и физической моделью процесса отжига этих центров.
2.В ОПЗ структур на основе фосфида индия п-типа проводимости, облученных у-квантами и электронами выявлен ранее неизвестный бистабильный де-
фект, названный в работе W-дефектом. Определены характеристики W-дефекта, изучены термо- и фотопереходы между конфигурациями этого дефекта, получена координатно-конфигурационная диаграмма дефекта.
З.С помощью полученных в работе аналитических выражений, описывающих спектры НЕСГУ с учетом встроенных электрических полей ОР и их влияния на скорость эмиссии электронов с глубоких уровней, проанализированы экспериментальные данные и показано, что появление U-полосы в спектрах НЕСГУ, облученного быстрыми нейтронами и протонами высоких энергий GaAs обусловлено наложением пиков известных дефектов Р2 и РЗ.
4.Результатами сравнительного анализа электрофизических параметров ИЛС, полученных на основе различных марок полуизолирующего арсенида галлия и отожженных предложенным в работе и известными способами постимшганта-ционного отжига.
Научно-практическая значимость работы.
1 .Установленные закономерности образования и отжига радиационных дефектов в НО и ОПЗ GaAs и InP и разработанные на их основе физические модели этих процессов являются вкладом в раздел физики твердого тела-"дефекты кристаллической решетки" и могут быть использованы для разработки радиационных технологических процессов, для прогнозирования радиационной стойкости полупроводниковых приборов, содержащих ОПЗ.
2.Разработанный способ отжига ионнолегированных структур арсенида галлия мощным пучком электронов с энергиями выше порога дефектообразования, имеет, по крайней мере, два важнейших преимущества по сравнению с извест-
ными: низкая температура отжига («630 С) и отсутствие после отжига явления "раскомпенсации" (уменьшения р) высокоомных арсенидогаллиевых подложек и может быть использован в полупроводниковом производстве (АС N1554670, зарегистрировано 1.12. 1989 г.).
3.Предложенный неразрушающий метод экспрессного измерения удельного электрического сопротивления пластин полуизолирующего арсенида галлия, основанный на измерении тока, протекающего через металлический зонд— полупроводниковую пластину—водный контакт может быть использован в полупроводниковом производстве (Положительное решение по заявке № 4952976/21 (048156) от .).
4.Результаты изучения возможности измерений профиля легирования на контакте "травящий электролит-арсенид галлия" в процессе травления, были использованы при разработке профилометра "Бриг", применяемого в производстве для измерения профилей легирования в n-слоях, скрытых сильнолегированным контактным п+-слоем.
5.Разработанное и изготовленное устройство для измерения спектров НЕСГУ в полупроводниковых структурах используется для исследований в ГНЦ РФ "НИФХИ им. Л.Я.Карпова, г. Обнинск (акт использования), а также в СФТИ им. В.Д.Кузнецова при ТГУ, в ТПУ и ГНПП НИИПП (г.Томск).
6.Разработанные отраслевые технологические инструкции для контроля элек-рофизических параметров эпитаксиальных структур фосфида индия исполь-штся в ГНПП НИИПП (г.Томск) (акт внедрения).
Научные положения, выносимые на защиту.
1 .Зависимости скоростей введения дефектов (центров ЕЗ, Е4, Е5 в арсснидс іллия и центров ЕЮ в фосфиде индия) от температуры, энергии и массы бом-ардирующих частиц, а также профили концентрации дефектов контролируют-і соотношением времени, необходимого для рекомбинации или комплексооб-азования генетически связанных компонентов пар Френкеля в условиях куло-овского притяжения, и времени существования компонентов в разноименных ірядовьгх состояниях. Степень влияния соотношения времен на вышеуказан-ые зависимости определяется средним расстоянием между генетически свя-тными компонентами.
2.Значительное увеличение термической стабильности центров ЕЗ и Е5 в »ПЗ арсенида галлия п-типа, по сравнению с их термостабильностью в ней-эальном объеме, наблюдающееся при различных массах и энергиях бомбарди-ующих частиц, обусловлено преобразованием конфигурации междоузельного гома, вероятно, в тетраэдрическую при изменении его зарядового состояния из s в As+1.
3.Характеристики и координатно-конфигурационная диаграмма ранее неиз-гстного W-дефекта в фосфиде индия п-типа, образующегося только в ОПЗ ма-грнала. Дефект обладает свойствами центра с отрицательной корреляционной тергией. В основной конфигурации на дефекте локализовано пять электронов, даление двух электронов переводит дефект в метастабильную конфигурацию, эстоящую из двух слабосвязанных фрагментов: центров захвата двух и одного нектрона соответственно.
4.Аналитическое выражение, описывающее спектр НЕСГУ с учетом встроен-ых электрических полей областей разупорядочения, полученное в результате шены реальных резко неоднородных координатных зависимостей распределил дефектов и скорости эмиссии электронов с глубоких уровней на равно-ерное распределение и зону скоростей эмиссии, отражающей эмиссионные іойства реального распределения дефектов.
5.Структура U-нолосы в арсениде галлия п-типа, облученном нейтронами и ысокоэнергетическимн протонами, формируется суперпозицией пиков извест-ых Р2- и РЗ-дефектов, форма и местоположение которых в спектрах НЕСГУ зменены вследствие влияния электрических полей областей разупорядочения а скорость эмиссии электронов с глубоких уровней.
6.Способ отжига ионнолегированных структур арсенида галлия мощным учком электронов с энергиями выше порога дефектообразования, обеспечи-
поший низкую температуру отжига(<»630 С) и отсутствие явления эаскомпенсации" (уменьшения р) полуизолирующего арсенида галлия, а таюке еразрушающий метод экспрессного измерения удельного электрического со-рогивления полуизолирующих пластин арсенида галлия.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на: 1\ Всесоюзном совещании "Арсенид галлия" (Томск, 1978); X и XI Всесоюзны) семинарах "Радиационная физика полупроводников" (Новосибирск, 1982 1984); V отраслевом семинаре "Радиационно-технологические процессы і ядерно-физические методы анализа вещества" (Ташкент, 1984); семинар* "Деградация полупроводниковых материалов и приборов" (Ленинград, 1984) VI Всесоюзном совещании "Арсенид галлия" (Томск, 1987); VII Всесоюзно», симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1988); XII Всесоюзной кон ференции по физике полупроводников (Киев, 1990); IV Всероссийской конфе ренции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заря женных частиц (Томск, 1996); IX международной конференции по радиацион ной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1996); международно! конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганиче ских материалах" (Томск, 1998).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 3f публикациях. В коллективных работах автору принадлежат результаты, ото браженные в защищаемых положениях и выводах диссертации.
Личный вклад автора. Результаты работы получены автором лично шв при его непосредственном участии. Автор формулировал цели и задачи иссле дований, разрабатывал установки и методики для проведения измерений, про водил эксперименты и теоретические расчеты, обобщал результаты и делал вы воды.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семі глав и выводов. Изложена на 245 страницах, содержит 76 рисунков, 16 таблиі и библиографию, включающую 234 наименований.
Похожие диссертации на Образование и отжиг радиационных дефектов в арсениде галлия и фосфиде индия
