Электронное состояние поверхности GaAs и InP : Диагностика, управление, пассивация Бедный, Борис Ильич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Арсенид галлия, фосфид индия и твердые раство-іьі группы GalnAsP относятся к числу важнейших материалов полупроводниковой лектроники. Они успешно используются в разработках и производстве микро- и птоэлектронных приборов, устройств СВЧ-техники, на их основе методами нано-ехнологии создаются низкоразмерные микроструктуры, с применением которых вязывается прогресс в области наноэлектроники.

Вместе с тем к началу выполнения настоящей работы (1980 г.) специалисты, анятые разработкой электронных приборов на основе GaAs и InP, столкнулись с ерьезной физико-технологической проблемой, которая стала основным препятст-ием для практической реализации в полном объеме известных преимуществ этих [атериалов по сравнению с кремнием. Суть этой проблемы в том, что в приборных труктурах из-за высокой плотности электронных состояний, локализованных на оверхности и границах раздела, обычно возникало жесткое закрепление (пиннинг) ровня Ферми в узком интервале запрещенной зоны. По этой причине не удавалось беспечить управление поверхностным потенциалом полупроводника в эффекте оля и создать базовый элемент для сверхбольших интегральных схем - МДГТ-ранзистор. В диодах Шоттки пиннинг проявлялся в значительном ослаблении лияния работы выхода металла на высоту потенциального барьера, что усложняло ехнологию изготовления диодов с малой высотой барьера. Высокая рекомбинаци-нная активность поверхности приводила к снижению эффективности фотоприем-иков и лазерных структур. Все это привело к тому, что в физике и технологии по-упроводников А В⁵ на первый план вышла проблема управления электронными вонствами поверхности и границ раздела.

При изготовлении приборов металлы и диэлектрики обычно осаждаются на оверхность, покрытую тонким слоем собственного оксида, образовавшимся в ре-^льтате вынужденной экспозиции полупроводник на воздухе (так называемая, ре-пьная поверхность). Поэтому для совершенствования технологии подготовки по-грхности, разработки методов контроля ее состояния и улучшения характеристик риборов особое значение приобретали исследования электронных процессов, про-гкающих на реальной поверхности GaAs и InP. В научном отношении актуаль-ость этой проблемы обусловлена необходимостью углубления существующих редставлений о роли оксидных слоев в формировании поверхностного заряда и риповерхностного потенциального барьера, которые в значительной мере опреде-нот электрические, фотоэлектрические и оптические свойства полупроводников.

В большинстве работ, посвященных исследованию реальной поверхности по-/проводников А В⁵, основное внимание уделялось физико-химическим аспектам роблемы (кинетика окисления, элементный и фазовый состав, дефектная структура эверхности) и свойствам межфазных границ в МП- и МДП- структурах. При этом шо ощущался дефицит информации о специфике электронных процессов на сво-эдной поверхности GaAs и, особенно, InP. Во многом это было связано с трудно-

стями количественного определения важнейших информационных параметров, характеризующих электронное состояние поверхности. Большая, чем у кремния ширина запрещенной зоны этих материалов и более высокая плотность поверхностных состояний не позволяли использовать для измерения поверхностного потенциала классический метод эффекта поля, а малые времена жизни неравновесных носителей затрудняли применение метода, основанного на измерении фото-ЭДС насыщения. Подобные затруднения возникали при определении плотности поверхностных состояний и их энергетического распределения в запрещенной зоне. Таким образом, к началу выполнения настоящей работы из-за отсутствия адекватных методов исследования проблема управления электронными свойствами поверхности GaAs и ІпР (в том числе и наиболее актуальная в практическом отношении задача пассивации поверхности) оставалась нерешенной.

Для разработки методов диагностики поверхности широкозонных полупроводников типа GaAs особый интерес представляют фотоэлектронные явления, которые в силу специфики этих материалов (квазимонополярность, наличие у поверхности развитого слоя обеднения, малые времена жизни носителей заряда) отличаются высокой чувствительностью к состоянию поверхности. Были основания предполагать, что на основе комплексного изучения этих явлений при различных внешних воздействиях на поверхность удастся предложить новые методы диагностики которые в сочетании с электрофизическими измерениями (поверхностная проводимость, контактный потенциал, эффект поля и др.) позволят получить достаточнс полную информацию о поверхностных свойствах GaAs и ІпР и окажутся полезным! при разработке способов управления состоянием поверхности этих полупроводни ков.

Основная цель диссертационной работы состояла в разработке физически?

ОСНОВ фоТОЭЛеКТрИЧеСКОЙ ДИаГНОСТИКИ И МеТОДОВ управления ЭЛеКТрОННЫМ СОСТОЯ'

нием реальной поверхности GaAs и ІпР. Для достижения этой цели возникла необ ходимость решения следующих задач:

1. Исследовать общие закономерности и характерные особенности явленні поверхностной фото-ЭДС и планарной фотопроводимости в GaAs и ІпР; выяснит] механизмы приповерхностных фотоэлектронных процессов в этих материалах \ найти способы управления их фотоэлектрическими свойствами.

2. Разработать, обосновать и апробировать новые или усовершенствовать из вестные методы диагностики электронного состояния поверхности, приповерхност ных слоев и тонких пленок GaAs и ІпР.

3. Изучить влияние различных физико-химических воздействий (химические термовакуумные, адсорбционные и ионные обработки, окисление, поверхностно! легирование металлами и др.) на изгиб зон, положение уровня Ферми, платності поверхностных состояний, характеристики неравновесных приповерхностных про цессов и на этой основе разработать способы управления электрофизическим! свойствами приповерхностных слоев GaAs и ІпР.

4. Развить и экспериментально обосновать физические представления о меха-іизмах пассивации поверхности GaAs; разработать новые методы пассивации, при-одные для уменьшения плотности поверхностных центров захвата и рекомбина-іии, стабилизации состояния поверхности и открепления уровня Ферми на свобод-юй поверхности и границах раздела.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней развит новый подход к іешению проблемы управления поверхностными свойствами GaAs и ІпР, вклю-іающий комплексное изучение фотоэлектронных приповерхностных процессов при іазличньїх активных воздействиях на поверхность и разработку на этой основе но-ых методов диагностики и способов целенаправленного изменения электронного остояния поверхности. В диссертационной работе впервые изучены и решены сле-іующие вопросы:

. Установлены общие закономерности и особенности кинетики и стационарных характеристик поверхностной фото-ЭДС (ПФЭ) в GaAs и ІпР; сформулированы модельные представления о механизме ПФЭ, которые послужили основой для разработки новых неразрушающих методик контроля электронного состояния реальной поверхности полупроводников. :. Развита и всесторонне обоснована модель барьерной фотопроводимости эпитак-

сиальных пленок GaAs и ІпР. . Получены новые данные о параметрах системы поверхностных состояний, электрофизических свойствах приповерхностных областей, «скрытых» в слое обеднения, положении уровня Ферми на реальных и модифицированных поверхностях GaAsnlnP. . Выявлен характер взаимосвязи физико-химического и электронного состояния поверхности ІпР и GaAs при адсорбционных, термических, окислительных, ионных и химических обработках. Установлена важная роль структурно-химического разупорядочения границы раздела полупроводник-оксид и состояний адсорбционной природы в формировании поверхностного заряда в GaAs и ІпР. . Показана возможность контролируемого и обратимого изменения приповерхностного изгиба зон в фосфиде индия в пределах ~ AE_g/2 путем адсорбции атомов металлов и кислорода, свидетельствующая об относительно слабом закреплении уровня Ферми на реальной поверхности ІпР. Полученный результат меняет сложившееся ранее представление о доминирующем влиянии собственных дефектов в формировании поверхностного барьера в полупроводниках А³В⁵. . При исследовании термически окисленной поверхности GaAs обнаружен и изучен эффект фотоэлектрической памяти при Т = 300 К, проявляющийся в практически необратимом изменении потенциала поверхности при освещении. Раскрыт механизм эффекта, объяснены температурные изменения электронной структуры границы раздела, установлена энергетическая диаграмма системы GaAs-термический оксид.

. Предложена модель трансформации потенциального барьера при межфазных взаимодействиях на легированной золотом поверхности GaAs. Показана возмож-

ность управления фотоэлектрическими характеристиками пленок GaAs с помощью адсорбции золота и термовакуумной обработки. 8. Обнаружены и изучены эффекты открепления уровня Ферми на поверхности GaAs при:

облучении вакуумным ультрафиолетом;

модифицированной сульфидной обработке;

in situ обработке эпитаксиальных пленок в парах фосфина;

нанесении покровного гетероэпитаксиального слоя . Высказаны и обоснованы соображения о причинах закрепления уровня Ферми на реальной поверхности GaAs и механизмах фотохимической, сульфидной, фосфид-ной и гетероэпитаксиалыюй пассивации.

Практическая значимость проведенного исследования в целом заключает
ся в разработке и апробации новых методов диагностики поверхности, пригодных
для осуществления экспрессного контроля информационных параметров на различ
ных стадиях изготовления приборов, и в'предложении новых видов технологиче
ских обработок, обеспечивающих улучшение тсачества поверхности GaAs и InP.
Отметим наиболее важные в практическом отношении конкретные результаты дис
сертационной работы. -.,

4. Разработан метод комплексной диагностики электронного состояния реальной поверхности GaAs и InP, основанный на проведении совместных измерений пла-нарной фотопроводимости, контактной разности потенциалов, поверхностной фото-ЭДС и малосигнального эффекта поля, позволяющий осуществлять контроль приповерхностного изгиба зон, параметров системы ПЭС, эффективной концентрации примесей и профиля дрейфовой подвижности носителей у поверхности.

5. Предложенная и апробированная в макетной установке новая конструкция динамического конденсатора (зонда Кельвина), позволяющая осуществлять бесконтактные локальные измерения потенциала поверхности и поверхностной фото-ЭДС, может быть рекомендована для лабораторного и промышленного применения с целью выявления объемных'неоднородностей и контроля степени гетерогенности поверхности полупроводниковых пластин.

6. Развитый в работе метод поверхностного легирования металлами из атомногс пучка в вакууме является эффективным способом контролируемого и обратимогс изменения изгиба зон на реальной поверхности полупроводников, который находит широкое применение в практике научных исследований.

7. Обнаруженный размерный эффект резкого увеличения кратности фотопроводимости при толщине эпитаксиального слоя, близкой к ширине области обеднения может быть использован для расчета и оптимизации параметров пленочных фоторезисторов на основе полупроводников А³В⁵.

8. Выявленные в работе закономерности дальнодействующего влияния ионной имплантации на систему структурных дефектов и электрические свойства InP важне учитывать в технологии ионно-лучевой обработки.

3. Установленная взаимосвязь между соотношением компонентов газовой фазы при МОС-гидридной эпитаксии и электрофизическими свойствами объема и поверхности GaAs использована для оптимизации технологических параметров процесса эпитаксии. Г. Предложенные и экспериментально обоснованные в диссертации методы пассивации поверхности могут быть использованы для снижения рекомбинационной активности поверхности и границ раздела в лазерах и фотоэлектронных приборах и для улучшения характеристик и параметров поверхностно-барьерных структур.

Основные положения, представляемые к защите:

Положение 1 (о поверхностной фото-ЭДС в GaAs и InP)

Существенный вклад в формирование поверхностной фото-ЭДС в InP и GaAs шосит захват фотодырок на ловушки в объеме и на внешней поверхности оксидно-о слоя, обусловленые хемосорбцией кислорода. На реальной поверхности n-InP ітот вклад является доминирующим, что приводит к возникновению аномально інерционной релаксации потенциала поверхности после освещения. Измерения фо-оотклика поверхностного барьера при малом отклонении от равновесного потен-щала поверхности позволяют выделить барьерную и ловушечную компоненты фо-о-ЭДС.

Положение 2 (о механизме фотопроводимости эпитаксиальных пленок на юлуизолирующих подложках)

Планарная фотопроводимость проводящих эпитаксиальных пленок InP и jaAs при относительно низких уровнях фотовозбуждения обусловлена изменением иирины поверхностного барьера и барьера на переходе пленка-подложка и связана величинами фото-ЭДС на этих барьерах. Характерными признаками барьерной ютопроводимости являются логарифмическая зависимость фото-ЭДС от уровня одсветки при измерении в режиме большого сигнала при постоянном освещении и братно пропорциональная зависимость фото-ЭДС от уровня подсветки при изме-ении в режиме малого сигнала при модулированном освещении. Различия кинети-еских и спектральных характеристик фотопроводимости для двух типов барьеров озволяют разделить вклады в фотопроводимость поверхностного и внутреннего арьеров.

Положение 3 (о методах диагностики поверхности GaAs и InP)

Разработанные новые фотоэлектрические методики определения приповерх-остного изгиба зон, параметров системы поверхностных состояний, концентрации римеси и дрейфовой подвижности носителей в слое обеднения у поверхности, ло-ального распределения потенциала и фотопотенциала по поверхности пластины озволяют получить комплексную информацию о качестве подготовки и электроном состоянии реальной поверхности GaAs и InP.

Положение 4 (об управлении электростатическим потенциалом и электрон-ыми свойствами поверхности InP)

На реальной поверхности InP отсутствует жесткое закрепление уровня Ферми, егирование поверхности металлами, окисление, различные адсорбционные и хи-

мические воздействия позволяют изменять величину приповерхностного изгиба 30 в пределах ~ AEg/2 и управлять состоянием поверхности и характеристиками тонки пленок.

Поверхностное легирование металлами из атомного пучка в вакууме вызывае неравновесное изменение состояния поверхности, проявляющееся в накоплении н ней избыточного положительного заряда и в релаксации этого заряда после легирс вания. Эффект поверхностного легирования обусловлен нарушением адсорбциої но-десорбционного равновесия в системе «полупроводник-оксид-атмосфера вследствие взаимодействия атомов металла с хемосорбированным кислородом.

Положение 5 (об управлении поверхностными свойствами GaAs в условия закрепления уровня Ферми).

Величина приповерхностного потенциального барьера в GaAs монотонн уменьшается с ростом уровня объемного легирования. Анализ этой зависимости пс зволяет оценить степень закрепления уровня Ферми при различных обработках пс верхности. В условиях жесткого закрепления уровня Ферми используя некоторы физико-технологические воздействия (варьирование режима МОС-гидридной эш таксии, осаждение островкового покровного слоя золота, окисление поверхності можно в значительной мере управлять эффективной высотой приповерхностног потенциального барьера, фотоэлектрическими свойствами тонких пленок, а такя осуществлять корректировку концентрации и дрейфовой подвижности носителе вблизи поверхности.

Положение 6 (о методах пассивации поверхности GaAs)

Предложенные в работе новые методы пассивации поверхности GaAs (обл; чение вакуумным ультрафиолетом, модифицированная сульфидная обработка, фоі фидная пассивация, гетероэпитаксиальная пассивация) позволяют значительно сні зить приповерхностный изгиб зон, плотность поверхностных центров захвата и pi комбинации, стабилизировать состояние поверхности и улучшить характеристик диодов с барьером Шоттки.

Апробация. Результаты работы докладывались на II Всесоюзном симпозиул» по активной поверхности твердых тел (Тарту, 1977), VI Всесоюзном совещании г поверхностным явлениям в полупроводниках (Киев, 1977), Всесоюзных семинарг «Физическая химия поверхности монокристаллических полупроводников» ( Нові сибирск, 1978, 1980, 1981 ), Всесоюзной конференции «Физика диэлектриков и ні вые области ее применения» (Караганда, 1978), Всесоюзной конференции по пр< блемам функциональной микроэлектроники (Горький, 1980), VII Всесоюзном сю позиуме по электронным процессам на поверхности полупроводников и граниі раздела полупроводник-диэлектрик (Новосибирск, 1980), IX Всесоюзной конфереї ции по микроэлектронике (Казань, 1980), Всесоюзной конференции «Физика оки ных пленок» (Петрозаводск, 1982), II Всесоюзной конференции по физически процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Одесса, 1982), Всесоюзно симпозиуме «Физика поверхности твердых тел» (Киев, 1983), VIII Всесоюзном сі вещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках (Киев, 1984), Вс

союзной школе-семинаре «Физика и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями» (Ташкент, 1984), Всесоюзной конференции «Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники» (Минск, 1985), I Всесоюзном семинаре «Низкотемпературное легирование полупроводников и многослойных структур микроэлектроники» (Устинов, 1987), IX Всесоюзном симпозиуме по электронным процессам на поверхности и в тонких слоях полупроводников (Новосибирск, 1988), VIII Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ (Горький, 1988), V Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические системы передачи ВОСП-88» (Москва, 1988), I Всесоюзной конференции «Физические основы твердотельной электроники» (Ленинград, 1989), Всесоюзной конференции «Поверхность-89» (Черноголовка, 1989), Всесоюзной научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989), VI Республиканской конференции «Физические проблемы МДП - интегральной электроники» (Севастополь, 1990), V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990), XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990), X Всесоюзной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел» (Москва, 1991), Республиканском семинаре «Физика поверхности и молекулярная электроника» (Ульяновск, 1991), I Национальной конференции «Дефекты в полупроводниках» (С.-Петербург, 1992), I, II и III Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Н. Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), Всероссийской конференции «Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов» (Н. Новгород, 1996), IV Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н. Новгород, 1998).

Работа выполнялась по планам основных НИР ННГУ (1981-1995), а также поддерживалась грантами Министерства общего и профессионального образования РФ /1992-1994/ и Международной программы образования в области точных наук flSSEP, №№ d303, d931, 1995-1997/.

Публикаиии. Основное содержание диссертации отражено в 72 работах, из них 49 статей в центральных научных журналах, 21 публикация в материалах симпозиумов, конференций, совещаний и семинаров, 1 авторское свидетельство. Некоторые материалы диссертации вошли в учебное пособие «Физические процессы в полупроводниках и полупроводниковых приборах при освещении» (Горький, ГГУ, 1988) и спецкурсы «Физика поверхности полупроводников», «Физика полупроводниковых приборов», читаемые автором для студентов физического факультета ННГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка авторских публикации по теме диссертации и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 317 страницах машинописного текста, включая 117 рисунков, 13 таблиц и библиографию из 282 наименований.