Поверхностно-барьерные структуры металл-полупроводник А3В5 Гольдберг, Юрий Аронович

Введение к работе

Актуальность проблемы . Работа посвящена технологии и исследованию электрических и фотоэлектрических свойств поверхностно-барьерных структур металл (т)- полупроводник^) на основе широкозонных соединений А^З и выполнялась в 1969-1991гг.

Поверхностно-барьерные структуры на основе полупроводников А и А В^й в настоящее время заняли,наряду с р-п-структура-ми, прочное место в полупроводниковой электронике, а также широко используются как средство для исследования свойств полупроводников.

Общие модельные представления о контакте металл-полупроводник били созданы в 40-ых годах В.ІІІотткіг^. Д.Бардином и Г.Бете^; в результата Ge , а затом и Si m - s-структуры стали использоваться в злектропреобразоватольной электронике.

Появление в 50-нх годах полупроводников А В привело к :о-становкв работ по созданию на их основе вначале р-п,а затем и а-а- структур. Возможность использования полупроводников АЧЗ в электронике била показана прежде всего на примере прижимного контакта металл-полупроводник Г.Велъкером ; свойства такого контакта были затем исследованы Б.В.Царенковьп/ .

Систематические исследования поверхностно-барьерных структур на основа соединений А В начались с середины 60-ых годов. В СССР эти работы были вначале сконцентрированы в ФТИ им.А.Ф. Ио<р$е в лаборатории Д.Н.Наследова, в группе Б.В.Царенкова и выполнялись автором данной диссертации ; они были нацелены на разработку технологии, выяснение свойств а - з-структур и создание на их основе полупроводниковых приборов.

Ко времени начала этой работы были ужо созданы теоретические представления об энергетической диаграмма, механизме протекания тока и й'ототока в m_s -структурах' * '; экспериментальные исследования били выполнены главным образом на Si m -з-структурах. Результаты этих исследований были' неполными и то многом противоречивыми, что было свіїзано с трудностями создания объектов,соотнотктвущих идеальной теоретической модели /т.о. объектов,но co.nejnaniix і.м-уіу металлом и полупроводником промо-

_ 4 -

жуточного,обычно диэлектрического, слоя. Ситуацию,сложившуюся к началу 70-нх годов,охарактеризовал Иадованіг, написавший в 1971 г, что "еще следует сделать много работ в этой области,презде чем будет достигнуто полное понимание механизма протекания тока'.'

За прошедшие 20 лет с момента постановки представляемой работы исслсдопашю ш_ е-структур начали все крушюГшие полупроводниковые центры мира, усилиями которых била создана электроника и стотоэлектроника поверхностно-барьерных структур на основе полупроводников А"%, и эти структуры стали использоваться в элект-ропреобразоштельной электронике /быстродействующие переключатели, логические элементы микропроцессоров, затвори в полевых транзисторах/ и (Joto преобразовательной электронике /фотоприемники видишго и.ультрафиолетового излучения /.

Цели и задачи работы . Целью данной работы явилось создание структур с идеальным /т.е. не содержащим промежуточного слоя / контактом металл-полупроводник А% и установление механизмов протекания тока и йототока в таких структурах.

Для этого решались следующие задачи :

1.Разработка новой /химической/ технологии поверхностно-барьерных структур.

2.Исследование электрических свойств этих структур для определения механизма протекания тока в идеальном контакте металл-полупроводник.

3.Исследование фотоэлектрических свойств этих структур для опт целения их значимости для полупроводниковой ультрафиолетовой фотоэлектроштки.

4.Исследование фотоэлектрических свойств m-а - структур на основе варизонных полупроводников АВ , интерес к которым был стимулирован работами Ж.И.Алферова по созданшо основ гетеро-структурной электроники.

5.Исследование свойств омического контакта металл-полупроводник и процесса перехода барьерного контакта в омический.

Кроме того, решалась задача о возможном применении поверхностно-барьерных фотоприемников для измерения интенсивности и дозы ультрафиолетового излучения Д'ЙІ/ Солнца и искусственных источников в связи с требованиями медицинской,биологической и

экологической науки и практики.

Объектами экспериментального исследования были выбраны m -з-структуры на основе широкозонных полупроводников . -GaA3 и GaP - в связи с технологической освоенностью этих полупроводников и тем исключительным положением, которое они занимают в современной электронике и оптоэлекгронике, и m -з - структуры на основе твердых растворов этих полупроводников : GaAlAs ,

GaAlP , GaAsP . Использовались кристаллы п-типа, таї:

как m -а-структуры на основе этих кристаллов имеют больиуга высоту потенциального барьера у_а . В качестве контактирующих ' металлов были выбраны градициоішо используемые в полупроводниковой электроника контактные металла -Au ,ni , а также металлы, являющиеся компонентом самого полупроводника, либо родственные ему- Ga , In , и металл , создающий донорные центры в полупроводниках А^З , - Sn .

Основные результаты работы :

1.Предложен и разработан химический метод создания поверх-ностно-барьерных структур. Разработаны методики изготовления структур с идеальным контактом металл-полупроводник и способы улучшения адгезии полупроницаемых для света слоев металлов к поверхности полупроводника / положение'1 / .

2.Экспериментально установлены закономерности протекания прямого и обратного тока, включая пробой, и на основаній отого определены механизмы протекания тока в поверхностно-барьерных структурах / положение 2 и 3 / .

3,Экспериментально определены особенности механизма^- протекания (Тототока в GaP и GaAs поверхностно-барьерных структурах при энергиях (Гютонов А)> , существенно меньших ширины запретной зоны полупроводника _g , и влияние электрического поля на фото-чувствйтелыюсть структур в этой области /полояоние 4 / .

4.Установлен механизм іУюточувствительности GaAs и GaP поверхностно - барьерных структур при энергиях (Гютонов, существенно больших шириш запретной зоны полупроводника"и предложен способ увеличения коротковолновой й'оточувствительности /положенно 5 /.

5.Разработаны поверхностно-барьерные «отоприемгшки видимого

и УФ излучения на основе GoAsq gP_Q . структур,практически не чувствительные к инфракрасному '/ Ж/ излучению, и фотоприемники УФ излучения на основе Ga_{Q 5}Al_{Q 5}Р структур,практически не чувствительные к видимому и ИК излучению.

1. Исследован фотоэлектрический эф.ект в ш- ^-структурах на основе варизонных полупроводников двух типов: пряюзонных с зависядей от координаты шириной запретной зони и непрямозонных, с неизменной шириной запретной зоны,но с зависящей от координаты пороговой энергией прямых переходов; в результате предложен принцип построения варизонных поверхностно-барьерных фотоприем-' ников и изготовлены селективные фотоприемники для видимой области спектра на основе Ga₁__xAl_;scA.3H для УФ области спектра -на основ.е Ga^xAl^P m - s-структур / положения 6,7 /.

2. Предложены и разработаны методики определения параметров варизонного полупроводника: градиента ширины запретной зо-ны,дифузиоино-дрейфовой длины, обратной крутизны края погло-щения.характеристической длины поглощения света.

3. Показано влияние последовательного сопротивления поверхностно-барьерной структуры на измеряемую мостовым методом емкость и предложен частотно-емкостной метод определения истин- , ных электростатических параметров структур / положение 10 /.

4. Установлены закономерности перехода контакта металл-полупроводник от вентильного к омическому /положение 8 / .

10. Определена зависимость сопротивления омического контак
та металл-полупроводник от концентрации носителей заряда и ши
рины запретной ьоны полупроводника /положение 9 / .

11. Разработан дозиметр УФ излучения, в котором в качестве
датчика использовалась поверхностно-барьерная структура. 06-

асть спектральной чувствительности прибора 2,7+ 5,2 зВ, интервалы измерения:интенсивности 10 +10 Вт/сг.Г, дозы 10 10~² Дж/см².

Представляемые к защите положения по технологии и Физике.

Положение 1 /о химическом методе создания и - s-струкгур/.

Химическое осахдение металлов из раствора их соединений на поверхность полупроводника позволяет создавать структуры, па-

раметры которых, близки к теоретической шдели идеального контакта металл-полупроводник. Адгезионная прочность слоев металлов /Au., Ні/, химически осздценных на поверхность полупроводника, существенно увеличивается в результате предварительной обработки поверхности полупроводника в растворе Pdci₂ при 70+ 90С. Термообработка созданных химическим методом структур , проводимая при температурах ниже температуры плавления металла или эвтектики металла и полупроводника,в частности,структур Аи--GaP при 250+300С, уменьшает коэффициент идеальности вплоть до теоретического предела /1,01+1,02/ »

Положение 2 /о прямом токе/.

Прямой ток не сильно легированных. GoA.3 /п=10 +10 см / и GaP /п=10 +10 см /поверхностно-барьерных структур в интервала 200+400К обусловлен термоэлектронной эмиссией из полупроводника в металл в полном соответствии с теорией Бете .

Полокение 3 /об обратном токе/.

Обратный ток. GqAs и Gap поверхностно-барьерных структур при напряжениях, меньших напряжения пробоя, обусловлен : -тершэлектрошюй эмиссией при напряаенности электрического поля в слое объемного заряда Е<10^/см и температурах Т> 350К, -тершпошовой эмиссией при Е =(2+з).10^см и Т>350К , -полевой эмиссией при Е>5.10^$/см при комнатной температуре .

Граничные концентрации электронов, при которых электрический пробой этих структур изменяется от туннельного к обусловленному ударной ионизацией, составляют 4.10 см для GaAs- и 10¹⁸ см для GaP - структур .

Положение 4 /о длинноволновой фоточувствительности/.

Длинно волновая фото чувствительность /при/u^Eg / GaP поверхностно-барьерных структур, помимо надбарьерного перехода электронов из металла в полупроводник, определяется еще : -туннелированием фотоэлектронов из металла в полупроводник сквозь першину потенциального барьера, что проявляется в возникновении фототока при hi> < p ,

-рассеянием их на оптических фононах в промежутче между плоскостями, соответствующими границе металл-полупроводник и мяк-

симрлу потенциального барьера, что проявляется в том, что с ростом напряженности электрического поля в слое объемного заряда угол Наклона линейной зависимости корня квадратного из величины сьотогока от AV возрастает, вкачала резко, а затем стремится к насищеною.

Положение 5 /о коротковолновой фоточ/вствительности/.

Коротковолновая /относительно края собственного поглощения/ фоточувствительность GaAc и GaP поверхностно-барьерных структур, помимо генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике и разделения их полем пространственного заряда, определяется еще и переходом горячих, носителей заряда в металл в соответствии с теорией Мезрин^г . Коротковолновая фоточувствительность возрастает с ростом уровня легирования полупроводника глубокими центрами с энергией ионизации, меньшей высоты потенциального барьера металл-полупроводник, но большей величины химического"^1, потенциала в квазинейтральной области .

Положение 6 /о фотоэффекте в варизонных m - а- структурах на основе прягозонного полупроводника с зависящей от координаты шириной запретной зоны /.

Спектр фоточувствительности варизонной поверхностно-барьер- . ной структуры на основе прядазонного полупроюдника с зависящей от координаты шириной запретной зоны, определяется соотношением мевду диффузконно-дрейровой длиной смещения неосновных носителей L⁺ , шириной слоя объемного заряда W и расстоянием между барьерным контактом и освещаемой поверхностью а следующим образом:

-если барьерный контакт расположен на узкозонной поверхности структуры, а структура освещается с широкозонной стороны, то спектр узкополоышй, когда ь⁺ +w+ +.. > d ; в частности,спектр фототока Аи - Ga^__xAl_xAs m- в- . структур при L +'.v

барьерный контакт, то спектр широкополосный вне зависимости от соотношения мегаду L⁺ , W , d

Положение 7 /о фотоэффекте в варизонных т- а-структурах на основе непрядазонного полупроводника с неизменной шириной запретной зоны, но с зависящей от координаты пороговой энергией прямых переходов/

В варизонных поверхностно-барьерных структурах на основе непрямэзонного полупроводника с неизменной шириной запретной зоны, но с зависящей от координаты пороговой энергией прямых переходов, например, в Аи-Оа₁__хА1_хР, варизонность проявляется в поглощения света, но не в переносе носителей заряда : -если структура освещается со стороны .соответствующей максимальному значению пороговой энергии прямых переходов,' а барьерный контакт расположен на поверхности, соответствующей минимальному значению пороговой энергии, то спектр фототока узкопо-досный; в частности, с ростом содержания АІР на границе с барьерным контактом от х=0,2 до х=0,б энергия максимума полосы спектра фототока изменяется от 2,93 до 3,14 эВ, а высота барьера металл-полупроводник практически постоянна Л⁴'1,3 эВ/:

- если структура освещается через полупроницаемый для света барьерный контакт, то спектр широкополосный и при х=0,5± 0,1 его длинноволновый край совпадает с границей водимой и ультрафиолетовой областей.

Положение 8 /о свойствах контакта полупроводник-жидкий металл/ .

Вентильный при нормальных условиях контакт полупроводника с жидким металлом переходит в омический в процессе непрорывного нагревания, когда в металле растворится тонкий, близкий к моноатомному, слой полупроводника, а рекристаллизованный слой еще не начал образовываться. Температура перехода зависит от кристаллографической ориентации поверхности полупроводника в соответствии о реакционной способностью граней кристалла.

Положение 9 / о сопротивлении омического контакта /.

Сопротивление омического контакта металл-полупроводник

-'10 -

п-типа:

обратно пропорционально концентрации электронов в полупроводнике ,

экспоненциально возрастает с ростом ширины запретной зоны.

Полононив 10 / о методике измерения емкости /.

Зависимость измеряемой мостовым методом емкости поверхностно-барьерных структур С от напряжения и отличается от зависимости истшшой барьерной емкости С_в от и из-за наличия в структуре активного остаточного сопротивления r_s :

при низких частотах измерительного сигнала <*J и обратных и малых прямых напряжениях характеристика С~ - и функционально повторяет зависимость CI- и , но сдвинута параллельно ей в сторону больших С_м , причем тем больше, чем больше ы їг_а ;

с ростом прямого напряжения величина С" достигает миниму-ма,а затем увеличивается ; напряжение минимума тем меньше , чем больше о) и г_а ;

с ростом со протяженность линейного участка характеристики С~ - U уменьшается, и минимум смешается в сторону отрицательных смещений ;

при високих частотах величина С_м перестает зависеть от и .

Эти экспериментальные закономерности находятся в соответствии с теорией Константинева-Мезрина^.

Приоритет результатов.

Представленные к защите результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые. Результаты, вошедшие в положения 1,5,6,7,8,10,защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

Значение результатов .

Химический метод создания поверхностно-барьерных структур /положение 1/ , предложенный и реализованный в 1970 г. /а.с. 392845,502710/, в настоящее время используется как в СССР,так и за рубег.сом'¹²»¹³'. этот метод позволил создавать структуры, свойства которых близки к модели идеального контакта металл-полупроводник, и существенно снизить, по сравнению с методом вакуумного напыления, расход драгоценных металлов при созда-

НИИ СТрУДСТуП. ЭТИ padOTU ЦИТИРУЮТСЯ В Отечественных ' И ИНО-

страшшх^ь' ' монографиях.

Исслодования механизма протекания тока /положения 2,3 / доказали, что предсказанный еце в 1942 г. Г .Бете механизм протекания тока /термоэлектронная эмиссия/ реализуется в п-з-струк-' турах на основе полупроводников A^S . Этот результат вошел в монографию Родерика .

Исследование фотоэлектрических процессов в и -s- структурах на основе GaAs , GaP и твердых растворов на их основе /положения 4,5,6,7 / позволило разработать высокоэффективные ою-топриешики УФИ, а также видимого и УФ излучения /а.с.549054/. На основе этих фотоприешиков был изготовлен іштенеиметр-дози-мотр УФИ , отмеченный Золотой медалью ВДНХ.

Предложенные в данной работе варизоннне m - з - структуры /а.с 401267/ оказались перспективними для создания селектив-ных фотоприешиков для ближней ИК, видимой и УФ областей спектра, а также легли а основу ряда методик определения параметров варизонных полупроводников /а;с. 790040/ . Эти работы цитируются в монографиях'¹⁴' ' .

Исследование омического контакта металл-nojrynpoводник /положения 8,9/ позволило получить новое существенное знание об образовании и свойствах омического контакта. Эти работы цитируются в монографиях Мшшса и Фойхта , Родерика ' и Кумара^,

а установленная зависимость сопротивления контакта от концент-

П Я 1 ч/ рации носителей заряда, как показано в , является общей

для различных полупроводников и способов изготовления контактов. Критический анализ методики измерения импеданса m -s-струк-" тур /положение 10/ позволил объяснить причины отличий экспериментальных данных по зависимости емкости от напряжения, накопившееся во многих работах со времени появления барьерных структур, от ожидаемых по теориям Шоттки и Шокли, и создать метод определения истинных электростатических параметров m - s-структурн, необходимый при разработке приборов на основе слабо легированных полупроводников ; этот метод г.шог быть распространен и на нстр:ідицлоннце структуры с потенциальный барьером"?

Основние результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 1 монографии, 2 обзорных и 41 оригшіальних статьях, 6 авторских свидетельствах на изобретение и докладцралксь на :

- Международных конференциях по микроэлектронике /Пр имор с ко, Бол
гария, 1979/, по бпофотомотрпи /Пущино,СССР,1980/ , по фотоэлек
трическим и оптически?.! явлениям в твердом теле /Зарна,Болгария,

1930,1933,1986,1939/ , по физике и технологии арсонида галлия и других 111-У полупроводников /Татранска Ломница,ЧСФР,1938/,физи-ческип проблемам в электронных материалах /Варна,Болгария,1990/^

- Всесоюзных и Республиканских конференциях по полупроводнико
вым приборам с барьером Шоттки /Киев,1975, Одесса,1978, Верхо
вина,1933/, по исследованию арсенида галлия /Томск,1974/, по
фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках Дягород,1979/, по
физике и применению контакта металл-полупроводник /Киев, 1987/ ,
по физике полупроводников /Кишинев,1983/, по физическим основам
твердотельной электроники /Ленинград, 1939/ ;

-семинарах Северо-западного региона /Ленинград,1985/, заседаниях секций "Ультрафиолетовое излучение" /Ленинград,1974, Пущино,1976/, "Полупроводниковые гетеро структуры /Москва,1989/ при Президиуме All СССР, семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР .

Структура и объем диссертацицдиссертаиия состоит извведе-н;ш, ілести глав, приложения и заключения. Объем диссертациии 229 страниц, з том числе 165 страниц текста и 64 рисунка . Список литературы включает 177 наименований.