Модифицированные поверхности арсенида индия, обработанной в парах халькогена Татохин, Евгений Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. Полупроводники A^I!IB^V в настоящее время широко используются для создания быстродействующих электронных и мощных СВЧ приборов, а также оптоэлектронных устройств инфракрасного и видимого диапазонов. В ряду полупроводниковых соединений типа A^UIB^V особое место занимает арсенид индия. Это обусловлено, во-первых, малой шириной запрещённой зоны (E_g=0,38 эВ) и, во-вторых, малой эффективной массой электронов (т _е⁼0,025). Благодаря малой ширине запрещённой зоны арсенид индия является удобным материалом для изготовления фотоприёмников ИК - диапазона и светофішьтров. Вследствие же малой эффективной массы электронов, а значит и высокой подвижности (ц_п~30000 см²/(В-с), чувствительность этого соединения к магнитным эффектам на один - два порядка выше чем в германии. В последнее время в полупроводниковой электронике ярко выражены тенденции к непрерывному уменьшению размеров активных областей приборов. Вследствие этого поверхности и границы раздела оказывают всё более заметное влияние на их характеристики.

В идеальном случае поверхность или граница раздела представляет собой резкий барьер, позволяющий четко разграничивать внутренние области прибора или установить его внешние границы. Поверхность большинства полупроводников A^mB^v характеризуется высокой плотностью поверхностных состояний в запрещённой зоне, что приводит к жестколгу закреплению уровня Ферми, положение которого на поверхности практически не зависит от природы адсорбированных атомов. Это обстоятельство отрицательно сказывается на работе многих микро- и оптоэлектронных приборов, мешая реализации потенциальных возможностей этих полупроводников.

В последние годы интенсивно изучаются условия формирования совершенной границы раздела с малой плотностью поверхностных состояний в гетеросистемах с кристаллическими слоями широкозонных полупроводников типа A^m₂B^v,₃ (например Ga₂Se₃ - GaAs). В связи со сказанным актуально изучение условий формирования тонких монокристаллических плёнок халькогенидов элементов III группы и электронных процессов на поверхности других полупроводников AⁿⁱB^v, перспективных для микроэлектроники.

Цель работы. Установить закономерности формирования гетеро-структур на основе арсенида индия со слоями широкозонных полупроводниковых материалов типа А^Ш₂В^₃ и открепления уровня Ферми вблизи его поверхности.

Основные задачи исследования вытекают из цели работы:

1. Исследование условий формирования структурно совершенных слоев типа Aⁱⁿ₂B^vl₃ на подложках InAs.

2. Исследование электрофизических свойств полупроводниковых слоев типа А^Ш₂В^М₃ на подложках InAs.

3. Исследование кинетики формироваїшя слоев A^IU₂B^VI₃ на поверхности InAs методом гетеровалентного замещения.

4. Исследование положення уровня Ферми вблизи поверхности арсенида индия в процессе обработки её в парах халькогенов.

Объекты и методы исследования. Исследовались гетероструктуры In₂S₃ - InAs, In₂Te₃ - InAs, In_2xGa₂(i._x)Te₃ - InAs, In₂Se₃ - InAs, сформированные на подложках из монокристаллического арсенида индия. Слои A^m₂B^Vi₃ на подложках InAs формировались методом гетеровалентного замещения в анионной подрешётке элемента B^v на халькоген в процессе термического отжига. Слои 1п₂Те₃ и In_2xGa₂(i._x)Te₃ формировались методом газо-фазной эпитаксии из независимых источников.

Исследование структуры и состава полученных плёнок проводилось методами электронографии, электронной микроскопии, рентгеноспектрального и Оже - анализа. Толщина полученных слоев определялась методами эллипсометрии и растровой электронной микроскопии. Электрофизические свойства гетероструктур исследовались методами зонда Кельвина, а также по зависимостям составляющих полной дифференциальной проводимости при частотах тестового сигнала (10² -=- 10^б) Гц и сквозного тока в гетероструктурах от температуры в диапазоне температур (80 -н 500) К.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что слои 1п₂Те₃, полученные на поверхности InAs мето
дом гетеровалентного замещения (ГВЗ) мышьяка в анионной подре-

. шётке арсенида индия на теллур вблизи комнатных температур проявляют собственную проводимость. При этом концентрация центров локализации заряда (ЦЛЗ) в слоях In₂Te₃, In_2xGa₂(i._x)Te₃ (x=0,65), полученных методом газо-фазной эпитаксии на порядок выше, чем концентрация этих же ЦЛЗ в плёнках теллуридов, полученных методом ГВЗ на тех же подложках.

2. Показано, что тонкие плёнки соединений типа Aⁱⁿ₂B^vl₃ с кубическими
структурами типа сфалерит могут формироваться на подложках из А¹"

В методом ГВЗ независимо от существования этих фаз в массивных образцах этих же соединений. Описаны три ранее не наблюдавшиеся кубические фазы селенида индия.

3. Установлены кинетические механизмы формирования слоев In₂S-, на
поверхности InAs.

_>

4. Установлен факт открепления уровня Ферми на поверхности арсенида индия после обработки её в парах серы и селена. Измерены значения термодинамической работы выхода In₂S₃ и In₂Se₃. Практическая значимость работы:

5. Разработанные и предложенные в диссертации способы формирования тонких слоев полупроводниковых соединений в квазизамкнутом объеме из раздельных источников могут использоваться для получения на -; поверхности исходного материала различных по составу и совершенных по структуре тонких пленок.

6. Практический интерес для электронной промышленности представляют технологические условия и методы формирования гетероструктур на основе InAs со слоями In₂Te₃, In_2xGa₂(i__x)Te₃, In₂S₃ и In₂Se₃ с совершенной границей раздела.

3. Исследуемые в работе пленки полупроводников типа А'"₂В ₃ могут
быть использованы для защиты поверхности элементов микроэлектро
ники на основе полупроводников типа A "B^v от внешних воздействий,
а также для разработки новых типов полевых приборов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В результате исследования гетероструктур 1п₂Те₃ - InAs, ln_2xGa₂₍|._x)Te₃ -
InAs установлено:

граница раздела в гетеросистемах ln₂Te₃ - InAs, полученных методом гетеровалентного замещения (ГВЗ) мышьяка в анионной подрешётке арсеннда индия на теллур, характеризуется высокой плотностью макродефектов;

плёнки 1п₂Те₃, полученные методом ГВЗ, на поверхности InAs обладают собственной проводимостью в области температур, близкой к комнатной;

граница раздела в гетеропереходах In₂Te₃ - InAs, rrb_xGa₂(i__X)Te₃ - InAs, полученных методом соиспарения из независимых источников элементов, имеет низкую плотность макродефектов, однако концентрация центров локализации заряда в слоях теллуридов, по данным температурных зависимостей дифференциальной проводимости и ёмкости, более чем на порядок превышает концентрацию этих же центров в слоях 1п₂Те₃, полученных методом ГВЗ.

2. В процессе отжига арсенида индия в парах S или Se на поверхности
подложек формируются плёнки In₂S₃ и In₂Se₃, соответственно:

в процессе гетеровалентного замещения мышьяка в анионной подре
шётке арсенида индия на селен, в зависимости от ориентации подлож
ки в диапазоне температур (570 ч- 630) К происходит образование тон
ких плёнок селенида индия с кубической структурой типа сфалерит
(а₀~5,55 А), не существующей в массивных образцах ln₂Se₃;

наиболее совершенная, в структурном отношении, граница раздела слой подложка достигается в гетероструктурах In₂Se₃-InAs.

3. Процесс гетеровалентного замещения в системе InAs - S протекает в два этапа: на первом, скорость процесса лимитируется скоростью химической реакции гетеровалентного замещения на межфазной границе; на втором, процесс протекает по диффузионному механизму, и скорость формирования слоя ограничена скоростью диффузии серы в сульфид индия.

4. В процессе обработки поверхности арсенида индия в парах S, Se и Те происходит открепление уровня Ферми на его поверхности.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXV отчётной научной конференции ВГТА (Воронеж, 1996 г); XXXVI отчётной научной конференции ВГТА (Воронеж, 1997 г.); XVII Российской конференции по электронной микроскопии, (Черноголовка, 1998 г.); XXXVII отчётной научной конференции ВГТА (Воронеж, 1998 г.); втором Всероссийском семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Воронеж, 1999 г.); международной конференции "Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1999 г.); международной конференции "Релаксационные явлення в твёрдых телах" (Воронеж, 1999 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 работах.

Объём и структура диссертации. Диссертация содержит 145 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 5 таблицы и по структуре состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включая 173 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.