Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые структуры на основе соединений В находят широкое применение в оптоэлектронике, микроэлектронике, особенно СВЧ электронике. Тенденциями в развитии этих прикладных областей являются эстижение предельных характеристик приборов, снижение энергопотребления, уве-гчеіше быстродействия. В связи с этим ужесточаются требования к качеству полу-эоводникового материала, к содержанию примесей и дефектов с глубокими уровня-и (ГУ) в запрещешюй зоне. Наличие ГУ может приводить как к полезным, так и к )айне нежелательным эффектам в полупроводниковых приборах, даже если их кон-."нграция на несколько порядков меньше концентрации основной легирующей при-гси. Поэтому необходимо иметь представление о природе ГУ, знать их основные іраметрьі для того, чтобы мшшмизировать отрицательное,, и максимально эффектно использовать положительное влияние их на функциональные характеристики шборов.
Рассматривая проблему ГУ с научной точки зрения, следует отметить, что до гх пор не существует единой теории глубоких центров, позволяющей предсказывать -тинное энергетическое положение ГУ в запрещенной зоне полупроводника. Знания природе глубоких уровней, о свойствах материала, содержащего ГУ, в основном, >сят эмпирический характер. Природа большинства ГУ в полупроводниках ADIBV ґгаиовлена не однозначно. Очевидно, что для получения информации о природе ГУ, кономерностях образования дефектов с ГУ необходимо воздействовать на систему шмесных и собственных дефектов в процессе выращивания полупроводника. В ка-:стве такого воздействия было выбрано легирование полупроводников изовалент->ши примесями (ИВП). Предпочтительность именно такого воздействия обусловле-i тем, что сами ИВП не должны приводить к образованию новых локальных уровней запрещешюй зоне. Теоретические работы предсказывают образование резонансных ювней при изовалентном легировании и исключают возможность образования ГУ в прещенной зоне. Однако, можно предположить, что.замена одного из атомов ос->вной решетки на изовалентный атом в каком-либо структурном дефекте или ком-гексе может повлиять на энергетический спектр ГУ или даже привести к образовано новых уровней.
Для исследований энергетического спектра, свойств и природы ГУ наиболее щходящим является метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней СГУ). Данный метод обладает высокой чувствительностью и информативностью, н позволяет определить энергию ионизации, концентрацию, сечения захвата элек-
тронов и дырок, а также зависимость сечений захвата от электрического поля для ка ждого глубокого центра в отдельности.
К моменту начала данной работы специальных установок для РСГУ в мире н выпускалось. Создаваемые за рубежом иа основе серийно выпускаемых приборов ус тановки для РСГУ имели ограниченные функциональные возможности. В связи этим разработка автоматизированного спектрометра РСГУ, пригодного для решени широкого круга, как фундаментальных, так и практических проблем являлась акту алыгой задачей, которая также решалась в данной работе.
Цель работы заключалась в исследовании влияния легирования арсенида гал лия изовалеитной примесью (Sb) на энергетический спектр глубоких уровней; выяс нешш влияния электрически активных дефектов с ГУ на характеристики малошумя щих полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) СВЧ диапазона. Достижение поставленной цели включало следующие этапы:
Создание высокочувствительного спектрометра РСГУ, реализующего метод ре лаксацни напряжения в широком диапазоне скоростей эмиссии (еПіР=5 105 ч-Ю1 с"1)
Исследование влияния легирования изовалеитной примесью (Sb) на энергетиче ский спектр ГУ в GaAs, выращенном методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и расплава Ga (рост с отклонением от стехиометрического соотношения элементов і сторону обогащения элементом III группы).
* Исследование влияния изовалентного легирования сурьмой на знергетическиі спектр ГУ в GaAs, выращенном методом ЖФЭ из расплава Bi (рост с отклонение» от стехиометрического соотношения элементов в сторону обогащения элементе» V группы).
Анализ возможных физических причин и механизмов воздействия изовалентноі примеси Sb на систему электрически активных дефектов в слоях GaAs.
Исследование влияния электрически активных дефектов с ГУ на шумовые и уси лительные характеристики малошумящих полевых транзисторов СВЧ диапазона.
Объекты и методы исследования. Исследовались эпитаксиальные слои GaAs выращенные на п+ - подложках методом ЖФЭ из расплава Ga и расплава Bi, а также структуры для полевых транзисторов с барьером Шоттки на полуизолирующих под ложках GaAs, полученных методами газофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии. Е качестве изовалеитной примеси была выбрана сурьма. Свойства слоев иселедовалисі с помощью широкого набора экспериментальных методов, обеспечивающих максимально полную и достоверную информацию: релаксационной спектроскопии глубо ких уровней, метода вольтфарадных характеристик, измерения вольт-амперных ха рактеристик и температурной зависимости проводимости и др.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1 Впервые выполнены систематические исследования электрически активных дефектов с ГУ в слоях GaAs, выращенных методом ЖФЭ и легированных изова-лентной примесью (Sb). При этом обнаружены и идентифицированы новые глубокие уровни (А' и ELSb), вводимые сурьмой.
1 Обнаружено, что температурные зависимости сечений захвата носителей заряда на ГУ, вводимые Sb (А; и ELSb), и на уровни, связанные с собственными дефектами (А и EL2, соответственно), совпадают.
Показано, что спектр ГУ в GaAs зависит от соотношения в растворе-расплаве суммарных концентраций элементов III (Ga) и V(As, Bi) групп. При отклонении соотношения элементов в растворе-расплаве от стехиометрического в сторону обогащения элементом V группы, легирование Sb приводит к образованию дефекта с электронной ловушкой (ELSb); при отклонении в сторону обогащения элементом III группы - к образованию дефекта с дырочной ловушкой (А').
Предложены методы контроля качества внутренних нелегированных (буферных) слоев многослойных структур в исходных структурах и готовых ПТШ.
1 Установлены количественные соотношения между концентрацией нескомпенси-рованных акцепторов (Ev+0,2 эВ) в буферных слоях структур для ПТШ и ухудшением СВЧ-характеристик малошумящих ПТШ (увеличением коэффициента шума и снижением коэффициента усиления).
Практическая значимость работы.
Разработана универсальная установка для релаксационной спектроскопии глу-зоких уровней в полупроводниках, в которой впервые реализован метод релаксации дапряжения в широком диапазоне постоянных времени перезарядки ГУ (т = 2-10"s -s-Ю'с) с высокой чувствительностью по концентрации Nr/NM < 5 10"6.
Спектрометр экспонировался на выставках "Сибприбор-80", "Наука и техника «родному хозяйству" и успешно используется в следующих организациях: ИФП 'АН (г. Новосибирск), НИПП (г. Томск), НИИ "Автоматика" (г. Москва).
Предложен метод контроля качества внутренних нелегированных слоев многослойных структур по особенностям C-V зависимостей в области отсечки, а в полевых гранзисторах по особенностям зависимостей высокочастотных емкости и проводимо-mi затвора ПТШ от напряжения смещения на затворе. С помощью данного метода установлена корреляция между качеством буферных слоев структур и высокочастот-гыми параметрами изготовленных из них приборов (коэффициентом шума и коэффи-диентом усиления в диапазоне частот 4 -36 ГГц). В НИИ "Сатурн" (г. Киев) на основе" эазработанных методов организован 100% входной контроль буферных слоев струк-гур для изготовления ПТШ СВЧ диапазона.
На защиту выносятся:
1. Изовалентное легирование (Sb) эпитаксиальных пленок GaAs, выращенных мете
дом жидкофазной энитаксии, вызывает изменение состава и концентрации эле(
трически активных дефектов с ГУ:
в пленки, выращенные из расплава Ga, вводится новый для GaAs глубокий цент А'(Еу + 0,52эВ);
в пленки, выращенные из расплава Bi, вводится центр ELSb (Ес - 0,54эВ);
в пленках, выращенных из расплава Bi, уменьшается концентрация центра EL5 (Е - 0,41 эВ) более, чем в Ю3 раз при уровне легирования Sb -1%.
2. Изменения в спектре ГУ GaAs:Sb зависят от стехиометрии раствора-расплава:
дырочная ловушка А формируется только в пленках, выращенных в условия обогащения элементом III группы (Ga), в которых всегда присутствует дырочна ловушка А;
электронная ловушка ELSb вводится только в пленки, выращенные в условия обогащения элементом V группы (As, Bi), в которых всегда присутствует элек тронная ловушка EL2.
-
Температурные зависимости сечений захвата носителей заряда на ГУ, вводимы легированием сурьмой (А и ELSb), и на уровни, связанные с собственными де фектами (А и EL2, соответственно), практически совпадают.
-
Особенности формирования и свойства ГУ в пленках GaAs:Sb свидетельствуют том, что:
структуры центров А' и ELSb отличаются от структур центров А и EL2, соответ ствеїшо, только заменой атома мышьяка на изовалентный атом сурьмы;
замещение атомов мышьяка в подрешетке As атомами сурьмы не образует глубо ких уровней в арсениде галлия.
5. Повышенный коэффициент шума и низкий коэффициент усиления малошумящи:
ПТШ в диапазоне частот 4-36 ГГц обуслошіен р-типом проводимости буферны:
слоев многослойных структур, которая контролируется глубоким уровне>
(Еу+0,2 эВ) с концентрацией NA = 1015 см'3.-ь 1016 см'3.
Апробация работы.
Материалы работы докладывались на I Всесоюзной конференции "Физическиї основы твердотельной электроники" (г. Ленинград, 1989 г.), Конференции по пробле мам СВЧ электроники (г. Львов, 1989), Всесоюзной конференции по физике полупро водников (г Киев, 1990 г.), Российской конференции "Микроэлектроника - 94" (г Звеїшгород, 1994 г.), Международной конференции "Compound Semiconductors" (г Варшава, 1994г.), Международной конференции DRIP -XII (г. Берлин, 1997 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, писок которых приведен в конце автореферата, из них 7 статей в центральных рос-нйских и международных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введе-ия, трех глав, выводов, заключения и списка цитируемой литературы из 109 наиме-ований. Общий объем диссертации 114 страниц, 28 рисунков и 4 таблицы.
