Введение к работе
Актуальность темы. Повышение быстродействия полупроводниковых приборов требует уменьшения их линейных размеров и использования приборных структур со слоями субмикронной толщины, что неизбежно приводит к увеличению электрических полей в активной области приборов. Вследствие разогрева носителей заряда в электрическом поле изменяется вероятность их инжекции и захвата на глубокие центры в областях пространственного заряда (ОПЗ) на межслоевых границах раздела полупроводниковой структуры. При этом захват на глубокие центры в ОПЗ происходит в присутствии сильного электрического поля, которое может оказывать значительное влияние на вероятность захвата и, тем самым, усиливать влияние процессов накопления заряда в интерфейсных областях структуры на функционирование приборов.
Несмотря на всю важность этой проблемы, влияние электрического поля на за-хват носителей заряда глубокими центрами в полупроводниках А В мало изучено. В работе [1] было обнаружено, что в электрическом поле ОПЗ сечение захвата электро-нов на глубокий донор EL2 в GaAs возрастает до гигантских величин О >10" см . Данное явление совершенно нетривиально, поскольку, в электрическом поле сечение захвата на притягивающий центр должно уменьшаться, что и наблюдается для многих примесных центров в элементарных полупроводниках [2]. Теория многофононного захвата на безызлучательные центры в GaAs [3] также предсказывает уменьшение сечения захвата на центр при разогреве электронного газа [4]. Подробное изучение влияния электрического поля на захват свободных носителей заряда глубоким донором EL2 и другими безызлучательными центрами в GaAs представляется актуальной задачей.
Проблемы, связанные с захватом на глубокие центры, особенно актуальны в тон-коплёночных структурах соединений А В , применяемых для создания сверхбыстродействующих полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) и интегральных схем. В данных структурах на границе раздела плёнка - полу изолирующая подложка формируется область обеднения, которая частично распространяется в проводящий активный слой структуры. Неравновесные процессы перезарядки глубоких центров в ОПЗ границы раздела приводят к модуляции проводимости токового канала транзистора, что отрицательно сказывается на функционировании GaAs ПТШ и ИС [5]. В этой связи актуальным является исследование неравновесных зарядовых процессов в области границы раздела плёнка - подложка и их влияния на характеристики приборов. Не менее важным представляется создание эффективных методов диагностики и оценки качества границы раздела в тонкоплёночных GaAs структурах и разработка специализированных приборов для неразрушающего входного контроля качества структур, предназначенных для изготовления полевых транзисторов и интегральных схем СВЧ диапазона.
Целью работы является экспериментальное исследование влияния электрического поля на захват электронов и дырок безызлучательными глубокими центрами в арсениде галлия и разработка средств неразрушающей диагностики качества тонкоплёночных п -n-i структур арсенида галлия для ПТШ и ИС. Для достижения цели решались следующие задачи:
постановка экспериментальных методик исследования процессов захвата на основе ёмкостных методов РСГУ, разработка низкочастотного ёмкостного спектрометра ГУ;
изучение процессов захвата дырок на глубокий донор EL2 в нейтральном объёме и в электрическом поле области обеднения;
изучение влияния сильного электрического поля ОПЗ на захват электронов и дырок глубокими центрами А, В и Fe в GaAs;
изучение температурной, концентрационной и полевой зависимости сечений захвата электронов и дырок на глубокие центры EL2, А, В и Fe в электрическом поле ОПЗ;
изучение состава глубоких уровней в буферном слое серийных п -n-i эпитаксиаль-ных MOCVD структур арсенида галлия для ПТШ и ИС;
изучение динамики процессов накопления и релаксации заряда в ОПЗ n-i перехода и их влияния на усилительные СВЧ параметры GaAs полевых транзисторов;
разработка методики и прибора для неразрушающей экспресс-диагностики качества тонкоплёночных структур GaAs, предназначенных для изготовления ПТШ и ИС.
Научная новизна
1. Проведено комплексное экспериментальное исследование процессов захвата носи
телей заряда на основные безызлучательные глубокие центры в GaAs в сильном элек
трическом поле ОПЗ. Впервые установлено, что сечения захвата дырок на глубокий
донор EL2 и сечения захвата электронов и дырок на глубокие центры А, В и Fe в ОПЗ
возрастают в -10 -10 раз по сравнению с сечениями захвата на эти же центры в ней
тральном объёме. Показано, что в электрическом поле Е ~5кВ/см сечения захвата уже
достигают максимальной величины. Сильное увеличение сечений захвата электронов
на притягивающие и нейтральные центры не согласуется с теорией многофононного
захвата на безызлучательные центры в GaAs. Полученные данные о сечениях захвата в
присутствии электрического поля Е >5кВ/см свидетельствуют о том, что глубокие цен-
тры в полупроводниковых соединениях А В имеют более сложную структуру окру
жающего потенциала, чем элементарный кулоновский центр.
2. В работе получили дальнейшее развитие экспериментальные методы релаксацион
ной спектроскопии глубоких уровней. Предложена и апробирована методика измере
ния полевой зависимости сечений захвата в электрическом поле ОПЗ. Впервые реали
зован метод DLTS на основе измерений низкочастотной ёмкости.
3. На основе эффекта сильнополевого захвата на глубокие центры в GaAs разработана оригинальная методика диагностики качества границы раздела активный слой - полуизолирующая подложка в тонкоплёночных структурах GaAs бесконтактным способом. Методика основана на анализе динамики релаксации проводимости структуры в результате перезарядки глубоких центров в n-i переходе на границе раздела. Показано, что скорость накопления и релаксации заряда в области границы раздела коррелирует с шумовыми характеристиками GaAs ПТШ. На базе данной методики разработана и создана не имеющая аналогов СВЧ установка неразрушающей диагностики качества GaAs структур, предназначенных для изготовления малошумящих ПТШ.
Практическая и научная значимость
В работе получена информация о влиянии электрического поля на захват электронов и дырок безызлучательными центрами в GaAs. В области обеднения процессы захвата протекают намного быстрее, чем в квази-нейтральном объёме. Так, глубокий донор EL2 в электрическом поле Е >5кВ/см становится эффективным центром захвата с ги-гантскими сечениями захвата, и электронов, и дырок (О>10" см ). Сильная зависимость сечений захвата от электрического поля позволяет объяснить ряд явлений, наблюдаемых в полупроводниковых структурах на основе полу изолирующего GaAs. Полученные результаты полезны для анализа неравновесных явлений в областях объёмного заряда в приборных структурах и создания более точных физических моделей ар-сенидгаллиевых приборов.
Разработана и создана низкочастотная установка ёмкостной спектроскопии для исследования глубоких уровней в высокоомных образцах. С помощью данной установки получены полные и достоверные сведения о составе глубоких центров в нелегированных тонких буферных слоях серийных MOCVD структур GaAs для ПТШ и ИС. Показано, что избыточное содержание глубоких акцепторов в буферном слое приводит к образованию проводящей прослойки /?-типа и ухудшению шумовых характеристик полевых транзисторов в СВЧ диапазоне.
Разработана компактная СВЧ установка "ГРАН" для неразрушающей экспресс диагностики качества границы раздела плёнка - подложка в тонкоплёночных структурах. Данная установка позволила провести статистические исследования для большого числа структур разного типа и установить эмпирический критерий их пригодности для изготовления малошумящих ПТШ. Опытные образцы установки "ГРАН" успешно использовались для входного контроля качества GaAs структур на ряде ведущих предприятий (НИИ "Сатурн", г.Киев, НИИ "Пульсар", г.Москва, НИИМЭ, г.Зеленоград, НИИПП, г.Томск, НИИИС, г.Нижний Новгород). В течение ряда лет установка "ГРАН" использовалась в ИФП СО РАН при отработке и оптимизации условий роста эпитакси-альных GaAs, AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs структур для полевых транзисторов.
Положения, выносимые на защиту
Сечения захвата электронов и дырок на глубокие центры А, В, Fe в GaAs и сечения захвата дырок на глубокий центр EL2 в GaAs в присутствии электрического поля ОПЗ Е ~ (5-90)кВ/см многократно возрастают (в 10 -Юраз) и достигают предельно больших величин ~(10" -10" )см . Влияние электрического поля на захват различно для разных центров, но наиболее сильно проявляется для основного в GaAs глубокого донора EL2.
В диапазоне электрических полей Е ~(5-40)кВ/см сечения захвата электронов и дырок на центры EL2, А, В и Fe не зависят от напряжённости электрического поля и от концентрации свободных носителей заряда, температурная зависимость сечений захвата слабая. В электрическом поле экспоненциальная температурная зависимость сечений захвата электронов не усиливается, а исчезает вовсе.
Состав и концентрация глубоких центров в области перехода активный слой - полуизолирующая подложка определяет пригодность тонкоплёночных GaAs структур для малошумящих ПТШ. Повышенное содержание глубоких центров акцепторного типа в буферном слое эпитаксиальных GaAs структур приводит к увеличению коэффициента шума ПТШ в диапазоне сверхвысоких частот 4-36ГГц.
Диагностика процессов накопления и релаксации заряда в области границы раздела плёнка - подложка неразрушающим СВЧ методом может служить основой методики входного контроля качества тонкоплёночных GaAs структур для малошумящих ПТШ.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу состоял в подготовке экспериментов, подготовке экспериментальных образцов, в проведении экспериментов, описанных в диссертационной работе, и обработке полученных результатов. Анализ и интерпретация результатов были выполнены совместно с научным руководителем. Подготовка материалов к публикации выполнялась совместно с соавторами. Соискатель самостоятельно разработал оригинальную установку низкочастотной ёмкостной спектроскопии ГУ, предложил и апробировал методику измерения полевой зависимости сечений захвата на глубокие уровни в ОПЗ. Разработка других методик, описанных в работе, была выполнена совместно с научным руководителем. Автор принимал самое непосредственное участие в разработке всех модификаций СВЧ установки "ГРАН" для экспресс контроля качества GaAs структур (дизайн, конструктивная проработка элементов, электронные схемы, тестирование).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 7 статей в реферируемых научных журналах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: Всесоюзная конференция по физике соединений А В (Новосибирск, 1981), Всесоюзное совещание по исследованию арсенида галлия (Томск, 1982), Fourth "Lund" International conference on Deep Level Im-
purities in Semiconductors (Eger, 1983), I Всесоюзная конференция по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), Всесоюзное совещание по проблемам СВЧ электроники (Львов, 1990), "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994), "Semi-insulating III-V materials" (Warsaw, 1994), International Conference on Defect Recognition and Image Processing in Semiconductors (Templin, 1997), Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния (Новосибирск, 2002).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы из 160 наименований. Общий объём диссертации составляет 168 страниц, в том числе 140 страниц текста и 28 иллюстраций.
