Свойства пленок оксида галлия, полученных методом электрохимического окисления пластин GаAs тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Петрова Юлианна Сергеевна

• Петрова Юлианна Сергеевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Петрова Юлианна Сергеевна

Введение

1 Физико-химические свойства оксида галлия

1.1 Электрохимические свойства и применение пленок а- и Р-0203

1.2 Влияние условий получения пленок оксида галлия на морфологию поверхности, структуру и фазовый состав

1.3 Оптические свойства пленок оксида галлия и фотоэлектрические характеристики структур на их основе

1.4 Фотодиоды дальнего ультрафиолетового излучения на основе пленок Р-ОазОз

1.5 Дефекты в GaAs

1.6 Выводы по главе 1 и постановка задачи

2 Методика эксперимента

2.1 Технология получения образцов

2.2 Методики измерений

3 Исследование структуры и фазового состава пленок оксида галлия

3.1 Результаты исследований пленок методом рентгеновского дифракционного анализа

3.2 Результаты исследований морфологии поверхности пленок с помощью атомно-силового микроскопа

3.3 Выводы по главе

4 Электрические характеристики структур 0а203/0аЛБ

4.1 Характеристики структур Ga203/GaAs на переменном сигнале

4.1.1 Структуры Ga203/GaAs без отжига

4.1.2 Структуры с пленкой оксида галлия, подвергнутой отжигу в Лг при 900 °С

4.2 Определение плотности поверхностных состояний на границе 0а203/«-ааЛв

4.3 Вольт-амперные характеристики структур металл/Ga203/GaAs/металл

4.3.1 Структуры Ga203/GaAs без отжига

4.3.2 Структуры Ga203/GaAs после отжига в Аг при 900 °С

4.4 Основные результаты и выводы главы

5 Фотоэлектрические характеристики структур металлЮа203/0аАв/металл

5.1 Фотоэлектрические характеристики структур металл/Ga203/GaAs/металл в видимом диапазоне длин волн, полученные на постоянном сигнале

5.1.1 Структуры металл/Ga203/GaAs/металл без термического отжига

5.1.2 Структуры металл/Ga203/GaAs/металл после термического отжига

5.2 Чувствительность структур металл/Ga203/GaAs/металл в УФ-диапазоне

5.3 Выводы по главе

6 Влияние пленок оксида галлия, выращенных методом анодирования, на концентрацию электронов в ОаЛБ

6.1 Влияние режима получения пленки и обработки в кислородной плазме на концентрацию электронов в приповерхностной области арсенида галлия

6.2 Влияние длительности обработки оксидной пленки в кислородной плазме на изменение концентрации электронов в полупроводнике

6.3 Влияние времени и температуры отжига на изменение концентрации электронов в полупроводнике

6.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свойства пленок оксида галлия, полученных методом электрохимического окисления пластин GаAs»

Введение

Актуальность исследования. Развитие физики и технологии тонких полупроводниковых пленок и тонкопленочных структур уже более тридцати лет оказывает существенное влияние на успехи современной электронной техники. Изучение электрических, оптических и других физических свойств различных полупроводниковых соединений позволило установить ряд особенностей процессов, протекающих в тонких пленках. Результатом научно-исследовательских работ стало их широкое использование в микроэлектронике.

В данной работе представлены результаты исследования тонких пленок оксида галлия, полученных на подложках арсенида галлия. Такие пленки находят множество применений: используются при разработке газовых сенсоров и полноцветных экранов, а также являются перспективным материалом для различных оптоэлектронных приборов.

В последние годы во всем мире повысился интерес к датчикам ультрафиолетового (УФ) излучения. Речь идет о регистрации средневолновой и коротковолновой частей ультрафиолетового диапазона, так называемого «жесткого» УФ-излучения (120-280 нм). Для регистрации «жесткого» УФ-излучения пригодны материалы с достаточно большим значением ширины запрещенной зоны. К таковым относится оксид галлия, ширина запрещенной зоны которого лежит в интервале 4,23-5,24 эВ. Основные требования к датчикам - низкая чувствительность к видимому свету, в связи с чем, их называют «солнечно-слепыми». Существующие на сегодняшний день датчики УФ не удовлетворяют полному набору требований, а исследуемые материалы, например, ЛЮаК, ZnMgO, алмаз, обладают рядом недостатков. Таким образом, разработка детектирующих устройств на основе новых материалов представляет несомненный интерес.

Степень разработанности темы исследования. Известно, что свойства пленок в существенной мере определяются способом получения и режимами последующих обработок. В связи с этим в данной работе был использован

комплексный подход к исследованию свойств структур металл/Ga203/GaЛs/металл, включающий структурный анализ, изучение электрических и фотоэлектрических характеристик, а также исследование зависимости концентрации носителей заряда в приповерхностной области GaAs от параметров обработки пленки Ga203.

Простота получения и возможность варьирования свойств с помощью внешних воздействий (обработки в различных атмосферах, отжиг при высокой температуре и др.) делают такие пленки привлекательными для практического применения.

Объект исследования - структуры Ni/V/Ga203/GaЛs/V/Ni, с пленками оксида галлия полученными методом электрохимического окисления (анодирования) подложек арсенида галлия. После нанесения пленок структуры подвергали воздействию кислородной плазмы и термическому отжигу в Лг при 900 °С.

Предмет исследования - вольт-фарадные, вольт-сименсные, вольт-амперные и фотоэлектрические характеристики МДП-структур, а также концентрация основных носителей заряда в GaAs до и после термического отжига и при различных длительностях обработки в кислородной плазме.

В связи с вышесказанным цель исследования была сформулирована следующим образом: установить влияние кислородной плазмы и высокотемпературного отжига на электрофизические характеристики пленок оксида галлия, полученных на подложках и^аАэ методом электрохимического окисления (анодирования), и изучить возможность использования слоев р^а203 для создания детекторов глубокого УФ-излучения.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1) изучить влияние термического отжига и обработки в кислородной плазме на морфологию поверхности и фазовый состав пленок оксида галлия с помощью атомно-силового микроскопа и рентгеновского дифракционного анализа;

2) исследовать электрические характеристики структур MeTam/Ga2O3/GaAs/MeTaM на постоянном и переменном сигналах;

3) проанализировать фотоэлектрические характеристики структур металл/Ga2O3/GaAs/металл в видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн в зависимости от вида и режима обработки;

4) определить влияние пленок оксида галлия, полученных методом анодирования, на концентрацию носителей заряда в приповерхностной области полупроводника.

Методология и методы исследования. Для исследования электрофизических характеристик были изготовлены структуры Ni/V/Ga2O3/GaAs/V/Ni. Пленки оксида галлия получали методом электрохимического окисления (анодирования) эпитаксиальных слоев или поверхности монокристаллических пластин GaAs. Далее полупроводниковую подложку с пленкой Ga2O3 делили на несколько частей. Часть образцов проходила обработку в кислородной плазме при разных временах воздействия: 20, 30 и 50 минут при температуре 50 °С. Затем образцы отжигали в Ar при 900 °С в течение 30 минут. Завершающий этап в получении исследуемых структур -напыление контактов V/Ni через маску к пленке оксида галлия и в виде сплошного тылового контакта к GaAs.

Исследование морфологии поверхности пленок оксида галлия проводили с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) «Solver HV». Фазовый состав оксидных пленок определяли методом рентгеновского дифракционного анализа на установке «Lab-х XRD-6000 Shimadzu x-ray diffractometer». Исследование вольт-фарадных (ВФХ), вольт-сименсных (ВСХ) характеристик, частотных зависимостей относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь структур Ga2O3/GaAs осуществлялось с помощью автоматизированного измерительного комплекса на основе LCR мультимера марки Е7-12. Исследование влияния излучения на прямые и обратные вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур Ga2O3/GaAs в видимом диапазоне (400-700 нм) проводили с помощью автоматизированного комплекса с

использованием лампы накаливания в качестве источника и светодиода, излучающего на длине волны X = 400 нм. Измерение ВАХ образцов на длине волны 405 нм осуществлялось с помощью лазерного диода и измерительного комплекса на основе Keithley 2636А. Спектральные зависимости тока в УФ-диапазоне исследовали с помощью монохроматора МДР-3, используя в качестве источника излучения дейтериевую лампу (D-2000 Deuterium, Ocean Optics). Расчет и построение зависимостей, представленных в диссертации, осуществлялся с использованием стандартных численных методов.

В результате решения поставленных в диссертационной работе задач были сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. Обработка анодных пленок Ga2O3 в кислородной плазме в течение 20-50 минут способствует зарождению кристаллитов ß-фазы в аморфной матрице еще до отжига при высокой температуре.

2. Отжиг при 900 °С изменяет структуру и фазовый состав пленок Ga2O3 и, как следствие, условия на границе диэлектрик-полупроводник. Проводимость структур, обусловленная объемными свойствами оксидной пленки, после отжига определяется процессами на границах Ga2O3/GaAs и металлЮа^3;

3. Исследованные структуры Ga2O3/GaAs обнаруживают фотоотклик в видимом диапазоне длин волн только после отжига при 900 °С. В интервале коротких волн, эти же структуры чувствительны к УФ излучению независимо от термообработки и способны работать в качестве УФ детекторов в автономном режиме.

4. Выбранный способ получения пленок Ga2O3 приводит к снижению концентрации электронов в приповерхностном слое «-GaAs, что объясняется увеличением вакансий галлия, играющих роль акцепторов.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность положения 1 подтверждается данными рентгеновского дифракционного анализа (РДА) анодных пленок Ga2O3. Данный анализ показал, что пленки, не подвергнутые воздействию кислородной плазмы, имеют аморфную структуру. Обработка в кислородной плазме (КП) способствует зарождению кристаллитов

Р-фазы; увеличение длительности обработки в КП приводит к появлению новых рефлексов, соответствующих кристаллитам P-Ga2O3. Таким образом, внедрение кислородных атомов в решетку оксида галлия способствует формированию кристаллитов Р-фазы с различными кристаллографическими плоскостями.

Достоверность положения 2 подтверждается сравнительным анализом электрических характеристик структур металл/Ga2O3/GaAs/металл с пленками оксида галлия до и после термического отжига. Вольт-фарадные, вольт-сименсные и вольт-амперные характеристики образцов без отжига практически не зависят от полярности напряжения, и проводимость структур определяется процессами в объеме оксидного слоя. Отжиг при 900 °С изменяет структуру и фазовый состав пленки Ga2O3 и, как следствие, условия на границе Ga2O3/GaAs. Образцы приобретают свойства, характерные для МДП-структур, со всеми особенностями зависимости проводимости и емкости от полярности и величины напряжения.

Достоверность положения 3 подтверждается анализом фотоэлектрических характеристик структур. Установлено, что фотоотклик в видимом диапазоне практически отсутствует в образцах с аморфной пленкой оксида и наблюдается только для образцов после высокотемпературного отжига, приобретающих поликристаллическую структуру. После отжига меняется механизм проводимости образцов, и пленка Ga2O3 становится прозрачной в видимом диапазоне длин волн. Прозрачные пленки P-Ga2O3 обеспечивают поглощение света в GaAs и появление фототока в МДП-структурах. В диапазоне коротких длин волн (X < 254 нм) пропускание пленок оксида галлия становится предельно малым, и рост чувствительности структур объясняется поглощением излучения в Ga2O3.

Достоверность положения 4 обусловлена сопоставлением расчетных данных концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника для пленок оксида галлия, полученных несколькими способами: анодным окислением поверхности пластины слиточного GaAs, термическим испарением порошка Ga2O3, ВЧ магнетронным напылением пленок оксида галлия. При использовании электрохимического метода выращивания пленок

оксида галлия наблюдается снижение концентрации электронов, как в эпитаксиальных слоях, так и в приповерхностных областях монокристаллических пластин GaAs. Уменьшение объясняется появлением вакансий галлия, создающих акцепторные центры в арсениде галлия.

Научная новизна исследования:

1. впервые показано, что зарождение кристаллитов Р-фазы в пленке оксида галлия происходит не только в результате отжига при высокой температуре, но и при воздействии кислородной плазмы при низкой температуре (50 °С);

2. впервые установлено, что нанесение пленок оксида галлия методом электрохимического окисления приводит к снижению концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника;

3. установлены режимы воздействия кислородной плазмой на пленки оксида галлия, обеспечивающие максимальную чувствительность структур Ga203/GaAs к УФ-излучению.

Теоретическая и практическая значимость результатов. Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в определении механизмов проводимости структур металл/Ga203/GaAs/металл с пленками оксида галлия, полученными методом анодирования. Получены данные о плотности поверхностных состояний на границе анодная пленка Ga203/n-GaЛs.

Практическая значимость результатов заключается в том, что установленные режимы обработки в кислородной плазме могут быть применимы для изменения электрофизических характеристик пленок оксида галлия, полученных другими способами. Разработанные режимы анодирования слоев GaЛs и последующие технологические обработки полученных структур позволяют создать детекторы дальнего ультрафиолетового излучения.

Новые теоретические и практические результаты применимы для дальнейшего исследования пленок оксида галлия, полученных другими способами (термическим испарением порошка Ga203, ВЧ магнетронным распылением, и др.), а так же для исследования пленок Ga203, полученных на подложках Б1, Л1203, 7^еР2.

Личный вклад автора. Личное участие автора состояло в изготовлении исследуемых структур, а именно: подготовке пластин GaAs к анодированию, получении пленок оксида галлия, обработке структур в кислородной плазме, сопровождении пластин по остальным этапам маршрута изготовления; планировании исследований; изучении и анализе литературы по теме диссертации; проведении измерений, обработке и анализе полученных данных; участии в написании тезисов и научных статей; представлении результатов на ведущих российских и международных конференциях.

Апробация результатов исследования. Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: 2011 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2011 (Красноярск, 2011 г.); 50-й юбилейной международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Серия: Физика неравновесных процессов (Новосибирск, 2012 г.); ХХ региональная конференция студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2013 г.); 51-й международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новые материалы и технологии (Новосибирск 2013 г.); XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2013 г.); 1st International School and Conference «Saint-Petersburg OPEN 2014» on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures (St. Petersburg, 2014) Effect of external influences on the strength and plasticity of metals and alloys, Russia-China International workshop (Barnaul, 2015), школы молодых ученых «Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем», (Новосибирск, 2019 г.); Актуальные проблемы радиофизики. АПР-2019: 8-я Международная научно-практическая конференция (Томск, 2019 г).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 7 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (из них 6 статей в российских научных

журналах, переводная версия которых входит Web of Science и/или Scopus, 1 статья в российском научном журнале, входящем в RSCI), 2 статьи в прочем научном журнале.

Благодарности. Выражаю благодарность коллективам Центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» НИ ТГУ и кафедры Полупроводниковой электроники РФФ, а именно:

- доценту кафедры полупроводниковой электроники Калыгиной Вере Михайловне за помощь в написании диссертационной работы, рецензирование и анализ полученных результатов;

- директору Центра Толбанову Олегу Петровичу за поддержку, наставления, советы по подготовке к защите диссертации;

- руководителю лаборатории детекторов ионизирующего излучения Тяжеву Антону Владимировичу за помощь в формализации задач исследования;

- всему коллективу технологического центра под руководством Зарубина Андрея Николаевича за предоставление оборудования и помощь в изготовлении объекта исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 20 отечественных и 43 иностранных публикаций. Работа иллюстрирована 86 рисунками, содержит 8 таблиц.

1 Физико-химические свойства оксида галлия

1.1 Электрохимические свойства и применение пленок а- и Р-С2О3

Оксид галлия Ga2O3 может находиться в одной из пяти различных фаз, отличающихся друг от друга кристаллической структурой: а-, Р-, у-, 5-, е-фазы [1]. Среди них P-Ga2O3 и а-Ga2O3 привлекают наибольший интерес.

а-Ga2O3 - бесцветные тригональные кристаллы с плотностью 6,48 г/см (Рисунок 1.1 а). Пленки а-Ga2O3 не растворяются в воде, реагируют с кислотами и щелочами; их температура плавления выше 660 °С; удельное сопротивление

13

р ~ 6 • 10 Ом-см [2] и они проявляют свойства диэлектрика; эффективная масса электронов те* = 0,276 т0 [3].

P-Ga2O3 - бесцветные моноклинные кристаллы (Рисунок 1.1 б) с плотностью 5,88 г/см , малорастворимые в воде, кислотах и щелочах [2]. Этот оксид -химически и термически стабильное соединение с эффективной массой электронов те* = 0,342т0 [3]. Соединение стабильно вплоть до температуры плавления, которая составляет, согласно различным источникам,

1740-1807 °С [4]. Выше перечисленные свойства позволяют использовать оксид галлия для разработки устройств, предназначенных для работы при повышенных температурах.

Р"0а203 при комнатной температуре является изолятором, а при повышенных температурах (более 500 °С) обладает свойствами полупроводника, ширина запрещенной зоны Её которого лежит в интервале 4,23-5,24 эВ в зависимости от способа получения и последующих обработок [4]. Р-0а203 - анизотропный полупроводник, и ряд его электрических характеристик в зависимости от кристаллографической плоскости отражен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Электрические характеристики Р-0а203 [4]

Кристаллографическая плоскость Удельное сопротивление, Ом-см Подвижность, см2 В-1 с-1 Концентрация носителей заряда, см-3

(100) 0,11 83 7 • 1017

(010) 0,19 78 4 • 1017

(001) 0,08 93 9 • 1017

Основные физические свойства Р-0а203 приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Основные свойства Р-0а203 [4]

Температура плавления 1725 °С

Плотность 5,95 г/см3

Коэффициенты линейного расширения (1000-1300 К) <100>: 1,9 • 10-6 К-1 <010>: 5,9 • 10-6 К-1 <001>: 5,9 • 10-6 К-1

Теплопроводность . (100): 13,6 В/мК . (010): 22,8 В/мК

Удельная теплоемкость 0,49 • 10-3 Дж/(кг-К)

Показатель преломления 1,97

Твердость по Виккерсу (201): 12,5 ГПа

Концентрация носителей заряда, и-тип проводимости 16 19 -3 10 -10 см

Продолжение таблицы 1.2

Подвижность носителей заряда 10-300 см2/(Вс)

Ширина запрещенной зоны 4,23-5,24 эВ

Напряжение пробоя 0,1-3,85 МВ/см

Диэлектрическая проницаемость 10

P-Ga2O3 - полупроводниковый материал, обладающий рядом уникальных свойств. В связи с этим, интерес к пленкам оксида галлия обусловлен широкими возможностями их применения в микроэлектронике [4, 5]. Пленки P-Ga2O3 используются для создания газовых сенсоров. Сенсоры на основе оксида галлия характеризуются стабильностью, высокой рабочей температурой, малыми временами отклика и восстановления, низкой чувствительностью к влажности (по сравнению с сенсорами на основе SnO2) [6].

Перспективным направлением использования пленок оксида галлия является их применение в различных оптоэлектронных устройствах, включая изготовление прозрачных проводящих электродов, люминофоров [7], антиотражающих покрытий и детекторов УФ-излучения [8].

В зависимости от способа получения и легирующей примеси пленки P-Ga2O3 могут использоваться в качестве люминофоров, обнаруживают фотолюминесценцию, катодолюминесценцию и электролюминесценцию. В работе [5] показано, что при легировании Ga2O3 переходными металлами удается получить все цвета видимого диапазона. Кроме того, пленки оксида галлия могут использоваться в качестве антиотражающих покрытий [3]. Значение коэффициента преломления составляет 1,8-1,9, что близко к квадратному корню

3 5

из соответствующих коэффициентов большинства полупроводников А В .

Материалы, которые применяются в настоящее время для детектирования УФ-излучения, зачастую не удовлетворяют тем или иным параметрам. Например, нитрид галлия GaN с шириной запрещенной зоны 3,4 эВ имеет соответствующее пороговое значение длины волны 365 нм, а значит - «реагирует» на солнечный свет. В большинстве случаев важно, чтобы структура не обнаруживала чувствительность к солнечному свету в видимом диапазоне, поскольку это

позволяет минимизировать вероятность ошибки детектирования УФ-излучения. Иными словами, необходим материал с большим значением ширины запрещенной зоны. К таким относится ЛЮаМ Однако с увеличением содержания А1 свойства кристалла резко ухудшаются [9]. Таким образом, оксид галлия с шириной запрещенной зоны порядка 5 эВ является перспективным материалом для разработки солнечно-слепых детекторов УФ-диапазона [8].

Важным является и тот факт, что пленки Ga203 могут успешно использоваться в качестве подзатворного диэлектрика в полевых МДП-транзисторах на основе GaAs [10, 11]. На протяжении долгого времени исследователи занимаются разработкой все более совершенных методов

3 5

нанесения пленки оксида галлия на поверхность полупроводников А В и исследованием границы раздела полупроводник-диэлектрик с целью изготовления МДП-полевых транзисторов. Основной проблемой при создании такого рода устройств является высокая плотность поверхностных состояний (ПС) на границе раздела диэлектрик-полупроводник и, как следствие, закрепление уровня Ферми на поверхности полупроводника. Последнее приводит к тому, что даже при подаче на МДП-структуру больших напряжений (близких к пробивным) не удается заметно изменять поверхностный потенциал и реализовать различные режимы в приповерхностной области полупроводника.

Пленки оксида галлия можно получать различными способами: магнетронное напыление, газофазная эпитаксия из металлорганических соединений, термическое испарение в вакууме, атомное послойное напыление, молекулярно-лучевая эпитаксия, золь-гель метод, пиролиз и другие.

1.2 Влияние условий получения пленок оксида галлия на морфологию поверхности, структуру и фазовый состав

Известно, что структура и фазовый состав пленок оксида галлия в значительной степени зависят от методики получения, материала подложки и ее температуры в процессе напыления, состава газовой атмосферы, давления газа и

т.д. Существенное влияние на свойства пленок оказывают режимы последующего отжига.

В работе [11] пленки оксида галлия получали высокочастотным (ВЧ) магнетронным напылением на кремниевые подложки. На рисунке 1.2 приведены АСМ-изображения поверхности пленок, полученных при температурах подложки 500 и 600 °С. Изображения были получены бесконтактным способом.

Рисунок 1.2 - АСМ-изображения поверхности пленок Р-Оа2О3, полученных ВЧ-магнетронным распылением при двух температурах подложки [11]

Согласно представленным результатам, повышение температуры подложки приводило к увеличению размера зерен и росту средней квадратичной шероховатости поверхности.

Увеличение шероховатости пленок с повышением температуры подложки наблюдалось в работе [12] при получении пленок оксида галлия на сапфировых подложках с помощью импульсного лазерного напыления (Рисунок 1.3, а).

а) б)

Рисунок 1.3 - Зависимость средней квадратичной шероховатости поверхности (а) и толщины пленок (б) от температуры подложки, полученных методом импульсного лазерного напыления [12]

Анализ опубликованных данных позволяет сделать вывод, что шероховатость и размер зерна поликристаллических пленок в меньшей степени зависят от способа получения, чем от температуры подложки Т8. С повышением температуры подложки толщина пленок снижалась практически по линейному закону, начиная с Т = 300 °С (Рисунок 1.3, б).

Температура подложки влияет на структуру пленок. При Т8 ниже 500 °С пленки были аморфными и только, когда температура подложки превышала 500-600 °С, в спектрах рентгеновского дифракционного анализа (РДА) появлялись пики, соответствующие кристаллитам (-201), (-402) и (-603) Р-0а203 (Рисунок 1.4). [12-14].

Ю 1SM?S303544«SOS5M 65 JO

Ю l5M5SM3S4fl4SaaM 65 JO 2S ¡degrees 1

Рисунок 1.4 - Данные РДА пленок Ga2Oз, полученных на сапфировой подложке методом импульсного лазерного напыления при нескольких значениях Т [12]

Спектры рентгеновской дифракции [12, 13] (Рисунок 1.5) наглядно отражают процесс изменения фазового состава оксида галлия при увеличении температуры подложки. При этом стехиометрический состав пленки сохраняется при всех использованных температурах подложки [13, 14].

_ м \ s& , Ч Тп V-j \\ , L.

M --—v___700°C

\ Nv/

—___As-deposit ■ i - i i.i.i.i

25 30 35 40 45 50 S5 50

2 Theta (degrees)

Рисунок 1.5 - Спектр рентгеновской дифракции пленок оксида галлия в зависимости от температуры подложки [13]

В работе [15] изучено влияние высокотемпературного отжига на микроструктуру и свойства пленки 0а203:Мп, полученной ВЧ-магнетронным напылением без нагрева подложки. Согласно РДА, пленка без отжига имела аморфную структуру. В результате отжига в интервале 800-1200 °С в атмосфере воздуха в течение одного часа пленка приобретала кристаллическую структуру (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Спектры РДА пленки Ga203:Mn в зависимости от температуры

отжига [14]

Влияние состава газовой атмосферы, в которой проводился отжиг, на структуру пленок оксида галлия изучено в работе [16]. Пленки получали газотранспортной реакцией при температуре 900 °С на кремниевых подложках с предварительно нанесенным слоем золота (10-20 нм). После завершения синтеза кремниевую подложку делили на 4 части: одну часть не подвергали каким-либо обработкам (образец А). Остальные части отжигали при 800 °С (30 минут) либо в потоке кислорода 0,5 литра в минуту (образец В), или во влажном азоте (образец С). Четвертую часть отжигали во влажном аммиаке при 800 °С также в течение 30 минут (образец D), на рисунке 1.7 представлены данные РДА всех исследуемых образцов. На основании полученных данных был

(Ь)

Т-1-1—I-1—I-1-1—I-1—I-1-1-1-1-1-1-1—I-1—I-1-1—I-1—I-1-1-1-1-1-1-1—I-1-1-1-1—I-1—I—г

25 30 35 40 45 50 55 60 Diffraction angle 2 theta (degrees)

сделан вывод, что атмосфера отжига практически не влияет на кристаллическую структуру полученных образцов.

: 1« : ! ■ m Il кг Sample A W r I S ; s » £ âfi-c-" ? \ Л i „ Л ь ft jr i 5 ь? -H il 1 1 il slfl :

Du Jj Sample В V ,.A À.....A,-.______AJLÎLaA AX ..--------

; к JLj Sample С - _Lu,__

: il uL Sample D L______

30 40 50 60 70 80

2 theta (degree)

Рисунок 1.7 - РДА спектры образцов при отжиге в различных атмосферах [16]

1.3 Оптические свойства пленок оксида галлия и фотоэлектрические характеристики структур на их основе

В последнее десятилетие существенно возросла важность изучения свойств прозрачных проводящих оксидов в связи с необходимостью их использования в устройствах оптоэлектроники. Широко известные прозрачные электроды 1п203, Бп02 или 7пО имеют ряд недостатков. Например, они непрозрачны для ультрафиолета (УФ) и поэтому не могут использоваться в оптоэлектронных устройствах УФ-диапазона [17]. К последним относятся и так называемые солнечно-слепые детекторы или детекторы глубокого ультрафиолета [18, 19]. Одним из наиболее широко используемых прозрачных проводящих оксидов является оксид индия-олова (1Т0), ширина запрещенной зоны которого составляет порядка 4 эВ. Благодаря сочетанию высокой прозрачности и проводимости, данный материал активно используется при разработке

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петрова Юлианна Сергеевна, 2024 год

- / / /

- г/У

20'

12 и. В

16 20

24

цифры около кривых - время обработки структур Ga2Oз/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 4.11 - Влияние воздействия кислородной плазмы на ВАХ структур

0а203/п-0аЛБ без отжига

Снижение токов при измерении на постоянном сигнале после воздействия кислородной плазмы объясняется уменьшением концентрации кислородных вакансий, которые в любых металл-оксидных соединениях, включая оксид галлия, играют роль донорных центров.

Независимо от длительности воздействия кислородной плазмы пленки без отжига обладают нелинейной зависимостью тока I от напряжения и. Так как ток не зависит от полярности напряжения, то поведение ВАХ должно определяться процессами в объеме пленки оксида галлия. Предполагается, что одним из механизмов может быть эффект Пула-Френкеля, обуславливающий рост тока в области напряженности электрического поля выше 104-105 В/см, за счет возбуждения электронов с глубоких центров. В этом случае, согласно работе [47], зависимость тока от напряжения определяется соотношением:

J = е • р • N ехр

е •£) / (я-в 0 • в,)) ~

к-Т

(4.11)

где р - подвижность электронов,

\ - напряженность электрического поля,

ДЕ = Е - Е - энергетический зазор между дном зоны проводимости Е и энергией глубокого уровня,

N - эффективная плотность состояний в зоне проводимости оксида галлия.

На рисунке 4.12 экспериментальные данные для образцов без отжига представлены в координатах Пула-Френкеля.

цифры около кривых - время обработки структур Ga203/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 4.12 - ВАХ структур Ga203/«-GaAs без отжига в координатах Пула-Френкеля

Предположение об определяющей роли механизма Пула-Френкеля в области сильных электрических полей не противоречит теоретической модели Варлея [48] и ряду экспериментальных работ, в которых показано, что в 0а203 вакансиям кислорода соответствуют энергетические уровни, расположенные на 0,3 эВ ниже дна зоны проводимости.

Для подтверждения предполагаемого механизма проводимости проведена оценка диэлектрической проницаемости из значений тангенса угла наклона ^а) зависимостей 1п(//Ц) от Ц0'5 к оси напряжений. Согласно теории:

к ■ Т\

е ■ и

л ■ е0 ■ е ■ d

(4.12)

где й - толщина диэлектрической пленки, остальные обозначения общепринятые.

Для образцов с толщинами оксида галлия 250-300 нм = 1,20-1,58. Тогда значения е5 = 9-10, что соответствует данным, полученным из измерений на переменном сигнале.

4.3.2 Структуры Са2О3/СаАз после отжига в Аг при 900 °С

Вольт-амперные характеристики структур металл/Ga2O3/«-GaAs с пленкой оксида галлия, подвергнутой высокотемпературному отжигу, не симметричны относительно полярности напряжения (рисунок 4.13). Эти результаты соответствуют данным, полученным на переменном сигнале.

Рисунок 4.13 - Прямая (1) и обратная (2) вольт-амперные характеристики одного из образцов структур Ga2O3/«-GaAs после отжига [36]

е

После воздействия кислородной плазмы прямые токи снижаются. На рисунке 4.14 приведены вольт-амперные характеристики при положительных потенциалах на затворе для образцов после отжига с предварительной обработкой

в кислородной плазме. Продолжительность обработки в кислородной плазме указана около кривых.

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 4.14 - Прямые ВАХ для образцов после отжига при разных временах

воздействия кислородной плазмы [36]

Прямые ВАХ определяются инжекцией электронов из полупроводника в Оа2О3 через барьер на границе Оа2О3/«-ОаЛБ. Анализ полученных данных показал, что характер прямых ВАХ определяется инжекцией электронов из «-ОаЛБ в пленку диэлектрика. Зависимость плотности тока от напряжения описывается соотношением [42]

3 = Л*-Т2 • ехр

в(фьв •%) / (4-я-8,-е0)) ~

к • Т

(4.13)

*

где А - постоянная Ричардсона, % - напряженность электрического поля, к - постоянная Больцмана, е - элементарный заряд,

е^ - диэлектрическая проницаемость полупроводника,

е0 - электрическая постоянная, Фь - высота потенциального барьера.

На рисунке 4.15 приведены прямые вольт-амперные характеристики в координатах Шоттки для образцов Ga2O3/«-GaAs при различных временах воздействия кислородной плазмы.

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 4.15 - ВАХ в координатах Шоттки для образцов Ga2O3/«-GaAs после отжига, при разных временах воздействия КП

Высота потенциального барьера Фь, рассчитанная с использованием значений тока ^ найденных по пересечению прямой с осью 1п(1) при Ц0'5 = О, составляет (0,81 ± 0,02) эВ. Полученное значение Фь соответствует изгибу зон на поверхности арсенида галлия при контакте с металлами и диэлектриками [49, 10, 50].

По аналогии с прямыми ВАХ величина обратного тока уменьшается с повышением длительности обработки пленки оксида галлия в кислородной плазме (рисунок 4.16). Минимальные обратные токи для структур после отжига характерны для образцов после воздействия кислородной плазмы в течение 50 минут.

цифры около кривых - время обработки структур Ga203/n-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 4.16 - Обратные ВАХ для образцов без отжига (1) и после отжига при разном времени воздействия кислородной плазмы (2, 3, 4, 5) [40]

При отрицательных потенциалах на электроде к 0а203 электроны из оксидной пленки инжектируются в ОаЛБ, при этом в полупроводнике формируется область пространственного заряда (ОПЗ). Падение напряжения распределяется между пленкой оксида галлия и полупроводником. Обратный ток через структуру в основном определяется генерационно-рекомбинационными процессами в ОПЗ ОаЛБ [38]

I

I =

я

^ ■ е ■ п ■ Л (иОПЗ)

2 ■т

(4.14)

где п,— концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике, те — эффективное время жизни носителей заряда, ^(Цопз) — ширина области объемного заряда.

В уравнении (4.14)

иоПЗ = и - ■ ,

(4.15)

где Rd - сопротивление пленки оксида галлия.

Зависимость тока от напряжения описывается соотношением:

h=А ф.+(U - ¡. ■ Rd)

(4.16)

где ф5 - поверхностный потенциал на границе раздела Ga2O3/«-GaAs,

А = Sk'6'П'

2 'Xe V

2 'S.-So

6' N

(4.17)

Решая уравнение (4.16) относительно Ig, находим, что:

J

А2' R 2

i+4'(ф+ U) -1

А2' RI

(4.18)

Численный анализ показывает, что в уравнении (4.18) произведение ARd << 1, и приближенно

J rev = Jg - А(ф. + U)1/2. (4.19)

Высота потенциального барьера на границе диэлектрик металл/n-GaAs не превышает 0,8 - 0,9 эВ [49]. При U >> ф обратная вольт-амперная характеристика в двойном логарифмическом масштабе изображается прямой с тангенсом угла наклона tga = 0,5, что соответствует формуле (4.16). На рисунке 4.17 показаны обратные ВАХ структур в координатах lnI от lnU. В соответствии с формулой (4.17) зависимость обратного тока от напряжения в

двойном логарифмическом масштабе должна изображаться прямой с тангенсом угла наклона = 0,5.

-14

-15

д

<-16

-17

-18

* \/

-19

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Ыи, В)

цифры около кривых - время обработки структур Ga20з/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 4.17 - Обратные ВАХ структур металлЮа203/«^аАз после отжига в

координатах !п/ от

Проведен сравнительный анализ влияния различных технологических обработок пленок оксида галлия на электрические характеристики структур металл/0а203/«-0аЛв/металл.

1) Вольт-фарадные, вольт-сименсные и вольт-амперные характеристики образцов без отжига практически не зависят от полярности приложенного напряжения, проводимость структур определяется процессами в объеме оксидного слоя.

2) Обработка пленок в кислородной плазме до отжига влияет на толщину пленок, что отражается на значениях емкости в области больших напряжений после отжига: чем длительнее обработка в КП, тем ниже значения емкости. Это вызвано особенностью взаимодействия кислорода с пленкой 0а203: атомы кислорода реагируют не только с поверхностными слоями оксида галлия, но и диффундируют через всю толщину окисла до границы раздела 0а203/0аЛв. В

4.4 Основные результаты и выводы главы 4

результате, при длительной обработке в кислородной плазме толщина пленки может увеличиваться за счет роста оксида со стороны полупроводника.

3) Отжиг при 900 °С изменяет структуру и фазовый состав пленки Ga203 и, как следствие, условия на границе диэлектрик-полупроводник. Образцы приобретают свойства, характерные для МДП-структур, со всеми особенностями зависимости проводимости и емкости от полярности и величины напряжения при работе на постоянном и переменном напряжении.

Экспериментальные данные, полученные при исследовании воздействия кислородной плазмы на пленки Ga203, представляют неоспоримые доказательства изменений емкости и проводимости структур после обработки пленок даже при достаточно низких температурах (50 °С). Известно, что в пленках металл-оксидных соединений существует отклонение от стехиометрического состава в сторону недостатка кислорода. Насыщение кислородом способно изменить химический состав пленок и, как следствие, характеристики структур на их основе. Снижение токов в образцах с пленкой оксида галлия без и после отжига в результате воздействия кислородной плазмы является косвенным доказательством «залечивания» дефектов пленок по кислороду.

Полученные результаты находятся в полном соответствии с данными исследований морфологии поверхности пленок оксида галлия и данными рентгеноструктурного анализа тонких слоев Ga203, представленными в главе 3.

Положение 2, выносимое на защиту: Отжиг при 900 °С способствует переходу пленки оксида галлия из аморфного состояния в поликристаллическое с преимущественным содержанием Р-фазы. Механизм проводимости структур после отжига определяется процессами на контактах металлЮа203 и GaAs/Ga203.

5 Фотоэлектрические характеристики структур металл/Са2О3/СаЛз/металл

Анализ литературных данных показал, что пленки оксида галлия, полученные различными способами, могут обладать как достаточно высокой прозрачностью в видимом диапазоне длин волн, так и поглощением в определенном интервале энергий. Поскольку способ получения и последующие обработки влияют на фазовый состав и структуру пленок оксида галлия, представлялось интересным исследовать фотоэлектрические явления в образцах металл/Ga2O3/GaAs/металл в зависимости от режимов воздействия кислородной плазмы и отжига.

Для изучения фотоэлектрических характеристик структур металл/Ga2O3/GaAs/металл были проведены следующие эксперименты:

1) Исследовано влияние излучения на ВАХ структур металл/Ga2O3/GaAs/металл с помощью автоматизированного комплекса в интервале длин волн 400-700 нм с использованием лампы накаливания в качестве источника широкополосного излучения и светодиода с длиной излучения 400 нм и лазера с X = 405 нм;

2) Получены спектральные зависимости токовой чувствительности структур металл/Ga2O3/GaAs/металл после отжига в Ar при 900 °С в зависимости от времени обработки оксидной пленки в кислородной плазме в УФ-диапазоне.

Спектральные зависимости тока короткого замыкания в УФ-диапазоне исследовали с помощью монохроматора МДР-3, используя в качестве источника излучения дейтериевую лампу (D-2000 Deuterium, Ocean Optics). Измерение вольт-амперных характеристик образцов на длине волны 405 нм осуществлялось с помощью лазерного диода и измерительного комплекса на основе Keithley 2636А.

Наиболее заметное влияние широкополосного излучения на характеристики исследованных структур наблюдалось при измерениях на постоянном сигнале.

5.1 Фотоэлектрические характеристики структур металл/Са2О3/СаАз/металл в видимом диапазоне длин волн, полученные на постоянном сигнале

5.1.1 Структуры металл/Са2О3/СаАз/металл без термического отжига

Для оценки степени прозрачности пленок, исследовали зависимость прямого и обратного токов от напряжения без воздействия света и при освещении (Е) с X = 400—700 нм.

Согласно полученным результатам при освещении широкополосным излучением со стороны Ga203 фотовольтаический эффект отсутствует, изменения прямого тока незначительны (рисунок 5.1, а), наблюдается небольшой рост обратных токов при увеличении напряжения, что можно объяснить поглощением излучения в подложке GaЛs (рисунок 5.1, б).

и, в и, в

а) б)

Рисунок 5.1 — Прямые (а) и обратные (б) ВАХ без освещения (кривые 1) и при освещении (кривые 2) для структур Ga203/n-GaAs без отжига [37, 51]

5.1.2 Структуры металл/Са2О3/СаАз/металл после термического отжига

В Главе 1 было показано, что пленки оксида галлия могут обладать высокой прозрачностью для видимого света. Однако согласно результатам нашего

эксперимента структуры, не подвергнутые отжигу при высокой температуре, слабо реагируют на излучение с X = 400-700 нм.

По аналогии с экспериментом, проведенным для структур без отжига, для оценки степени прозрачности пленок, подвергнутых термическому отжигу, исследовали зависимость прямого и обратного токов от напряжения без воздействия света и при освещении широкополосным излучением со стороны электрода к 0а203 (рисунок 5.2, а, б). В структурах с пленкой оксида галлия после отжига наблюдается фотовольтаический эффект. Согласно кривым на рисунке 5.2 б, изменение обратного тока при освещении растет с повышением смещения на структуре.

а)

б)

Рисунок 5.2 - Прямые (а) и обратные (б) ВАХ без освещения (кривые 1) и при освещении (кривые 2) для структур Ga203/«-GaAs после отжига при 900 °С

[37, 51]

Времена установления стационарного значения тока при освещении и его спада после выключения источника широкополосного излучения примерно равны и составляют 1,0-1,5 секунды (рисунок 5.3). Эти значения, скорее всего, обусловлены инерционностью включения/выключения источника света. Токи увеличиваются с повышением обратного смещения на структуре, цифры около кривых на рисунке 5.6 указывают приложенное напряжение и в вольтах.

1000 800

< 600

и

^°400

200

0

20

Ы

3,6 в

1,6 в

0,4 В

0,2 В

40

60

с

80

цифры около кривых - приложенное напряжение и в вольтах Рисунок 5.3 - Временные зависимости обратного тока при включении и выключении широкополосного излучения для структур металл/Оа2О3/«-ОаЛв

после отжига [40]

0

На рисунке 5.4 показаны обратные темновые ВАХ и ВАХ структур Оа2О3/«-ОаЛв при воздействии света. Числа около кривых соответствуют длительности обработки структур в кислородной плазме. Обработка пленки в кислородной плазме приводит к увеличению прозрачности пленок, что определяет величину отклика. Наибольший отклик получен для структур, подвергнутых воздействию кислородной плазмы в течение 20 минут. Однако дальнейшее повышение времени воздействия плазмы до 50 минут приводит к обратному эффекту - величина отклика снижается, предположительно за счет уменьшения степени прозрачности пленок.

0123456789 10 11 и, В

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 5.4 - Обратные темновые ВАХ и ВАХ при освещении структур металл/Оа2О3/«-ОаЛв, обработанных в КП [37, 40]

Отношение фототока 1ф к темновому току /0 (в дальнейшем - контраст С) и зависимость этого отношения от напряжения также определяются временем обработки оксидной пленки в кислородной плазме. Снижение /ф//в с повышением напряжения объясняется ростом обратного тока при практически независимом от и фототоке (рисунок 5.5).

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах)

Рисунок 5.5 - Обратные ВАХ и зависимости отношения фототока к темновому току от напряжения для образцов, подвергнутых высокотемпературному отжигу и

воздействию кислородной плазмы [40]

Напряжение холостого хода увеличивалось с 0,34 В для образцов с пленкой Оа2О3 без обработки в кислородной плазме до 0,84 В, когда время воздействия плазмы повышали до 50 минут. Ток короткого замыкания оказывается максимальным после обработки пленок Оа2О3 в течение 30 минут (рисунок 5.6).

1,0 0,9 0,8 т0,7 £0,6

0.4

0,3 0,2

0 10 20 30 40 50 /, мин.

Рисунок 5.6 - Зависимости напряжения холостого хода (кривая 1) и тока

короткого замыкания (кривая 2) от длительности обработки структур Оа2О3/«-ОаЛБ в кислородной плазме [51]

Для детального анализа поведения исследуемых структур в видимом диапазоне длин волн были проведены измерения прямых и обратных токов при использовании лазера с X = 405 нм.

На рисунке 5.7 показаны обратные вольт-амперные характеристики без и при воздействии излучения с разной оптической мощностью с X = 405 нм после отжига пленок оксида галлия при 900 °С без предварительной обработки в кислородной плазме.

Расчет оптической мощности Р осуществлялся следующим образом:

1. С помощью кремниевого фотоприемника проводили калибровку лазерного диода при нескольких значениях тока накачки диода I;

2. Используя данные спектральной чувствительности Бх фотоприемника, находили значение Бх на длине волны 405 нм;

3. Оптическая мощность Р рассчитывалась по формуле: Р=1/Бх.

В таблице 5.1 приведены значения оптической мощности, соответствующие токам, проходящим через лазерный диод.

Таблица 5.1 - Значения оптической мощности, соответствующие токам, проходящим через лазерный светодиод

I, мА Р, мкВт

50 1,9

60 5,1

70 11,4

80 35,6

83 49,0

85 77,8

87 104,9

90 166,3

Числа около кривых на рисунке 5.7 соответствуют значениям оптической мощности (мкВт).

21 ...................

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

и, В

Числа около кривых - значения оптической мощности, мкВт Рисунок 5.7 - Обратные ВАХ без и при воздействии излучения разной оптической мощности (X = 405 нм) после отжига пленок оксида галлия при 900 °С без предварительной обработки структур Оа2О3/«-ОаЛв в кислородной плазме [51]

На рисунке 5.8 показан рост обратного тока при наименьшем значении смещения, равном 0,04 В, с повышением оптической мощности. При

максимальном I (U = 0,04 В) =

значении P = 166 мкВт обратный ток достигает 800 нА.

Рисунок 5.8 - Зависимость обратного тока от оптической мощности Р при

положительном смещении и = 0,04 В

В отличие от обратных ВАХ влияние излучения с длиной волны 405 нм на прямые ВАХ наблюдается только в области малых напряжений (рисунок 5.9).

Рисунок 5.9 - Зависимость прямого темнового тока и токов при освещении разной мощности структур металл/Оа2О3/«-ОаЛв без обработки в кислородной плазме от

напряжения [51]

В области более высоких положительных потенциалов (и > 0,5 В) изменение прямого тока при воздействии света с оптической мощностью в интервале от 1,9-166,3 мкВт отсутствует.

Изменение обратных токов при воздействии излучения с X = 405 нм для образцов, подвергнутых воздействию кислородной плазмы в течение 20 минут перед отжигом при 900 °С показано на рисунке 5.10.

J_,_I_,_I_,_I_,_I_,_I___I_,_I_,_I_,_I

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

и, В

Рисунок 5.10 - Обратные ВАХ без и при воздействии излучения разной оптической мощности (X = 405 нм) на структуры металл/0а203/«-0аАв, прошедшие обработку в КП в течение 20 минут [51]

На рисунке 5.11 показан рост обратного тока с повышением оптической мощности при и = 0,04 В. Для структур с пленкой оксида галлия, подвергнутой воздействию кислородной плазмы в течение 20 минут, рост обратного тока при напряжении 0,04 В значительно больше по сравнению с образцом без предварительной обработки в кислородной плазме перед отжигом и составляет почти 10 мкА.

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Р, мкВт

Рисунок 5.11 - Зависимость обратного тока при напряжении и = 0,04 В от

оптической мощности Р

В отличие от результатов, полученных для структур без предварительной обработки в кислородной плазме, влияние излучения с длиной волны 405 нм на прямые ВАХ наблюдается не только в области малых напряжений ипр < 0,5 В (рисунок 5.9), а вплоть до и = 2,5 В (рисунок 5.12).

Рисунок 5.12 - Зависимость прямых токов от напряжения структур после отжига и обработки в кислородной плазме в течение 20 минут без и при воздействии

излучения разной оптической мощности

Повышение длительности обработки в кислородной плазме до 50 минут приводит к уменьшению влияния излучения с длиной волны 405 нм на обратные

токи исследованных структур (рисунок 5.13). На рисунке 5.13 показаны обратные ВАХ исследованных структур после отжига с предварительной обработкой в кислородной плазме в течение 50 минут.

Рисунок 5.13 - Обратные вольт-амперные характеристики без и при воздействии излучения разной оптической мощности (X = 405 нм) с предварительной обработкой в кислородной плазме в течение 50 минут

Зависимость от оптической мощности обратного тока при потенциале на затворе и = 0,04 В показана на рисунке 5.14.

Рисунок 5.14 - Зависимость обратного тока при смещении и = 0,04 В от

оптической мощности Р

При использовании максимальной оптической мощности 166 мкВт фототок оказывается равным примерно 200 нА.

Длительное воздействие кислородной плазмы приводит к аномальным изменениям поведения прямых ВАХ (по сравнению со структурами без обработки в кислородной плазме, рисунок 5.9). С повышением оптической мощности рост прямых токов наблюдается до меньших напряжений по сравнению с данными, полученными после обработки оксидной пленки в кислородной плазме в течение 20 минут (рисунок 5.15).

Рисунок 5.15 - Прямые ВАХ структур после отжига и обработки в кислородной плазме в течение 50 минут без и при освещении излучением с X = 405 нм

Токи короткого замыкания и напряжения холостого хода быстро нарастают при низких значениях Р (< 20мкВт) и стремятся к насыщению при дальнейшем увеличении оптической мощности (рисунок 5.16).

0,40 0,35

со

„ 0,30

X

0,25

0,20 0,15

^—

- г 20'

^----------Т

- ; ,.................. 50'

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Р, мкВт

а) б)

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 5.16 - Зависимость тока короткого замыкания (а) и напряжения холостого хода (б) от оптической мощности [51]

Зависимость фототока от мощности определяется временем обработки в кислородной плазме и значением отрицательного потенциала на затворе (рисунок 5.17)

90

80

70

< 60

2 50

40

30

20

10

0

5 В '

20 мин / /

-

/ 5 В

мин J В

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Р, мкВт

Рисунок 5.17 - Зависимость фототока структур без (0 минут) и после обработки в кислородной плазме (20 минут) при отрицательных смещениях 1 и 5 В на затворе

[51]

Из представленных выше результатов следует, что для повышения чувствительности структур металл/Оа2О3/ОаЛв/металл к широкополостному

излучению необходимо анодные пленки оксида галлия подвергнуть отжигу при 900 °С. Вывод о влиянии термического отжига на чувствительность пленок Ga2Oз к видимому свету является более общим. По аналогии с анодными пленками были получены данные о влиянии белого света на пленки оксида галлия, нанесенные ВЧ магнетронным распылением на подложки ОаЛв:Сг (ИЯ ОаЛБ) (рисунок 5.18).

а) б)

1темн - темновые токи; /^ - токи при воздействии белого света Рисунок 5.18 - ВАХ структур Ga2Oз/GaЛs:Cг: а) без отжига при положительных потенциалах на контакте к Ga2Oз, б) после отжига в Лг (500 °С, 30 минут)

На рисунке 5.18 представленны ВАХ структур Ga2O3/GaЛs:Cг с пленкой оксида галлия без отжига (рисунок 5.18, а) и после отжига при 500 °С в течение 30 минут (рисунок 5.18, б). Анализ ВАХ показал что чувствительность структур Ga2O3/GaЛs:Cг к длиноволновому излучению резко возрастает после отжига.

5.2 Чувствительность структур металл/Са2О3/СаАз/металл в УФ-диапазоне

Оксид галлия - широкозонный материал с Её от 4,23 эВ до 5,24 эВ. В связи с этим представлялось интересным провести измерения характеристик структур в диапазоне более коротких длин волн (200-400 нм).

В отличие от видимого интервала длин волн при воздействии ультрафиолетового излучения отклик в структурах с анодной пленкой оксида

галлия наблюдается не только после отжига при 900 °С, но и без высокотемпературной обработки. Этот факт объясняется тем обстоятельством, что в коротковолновом интервале длин волн отклик определяется поглощением УФ излучения в основном в пленке оксида галлия; поглощение в GaAs дает меньший вклад в формирование отклика.

На рисунке 5.19 представлена спектральная чувствительность исследуемых структур при разных временах воздействия кислородной плазмы. В УФ-диапазоне чувствительность структур Sx постепенно снижается с уменьшением длины волны до X ~ 230-240 нм, а затем возрастает (рисунок 5.19). По аналогии с видимым диапазоном наибольшие значения Sx наблюдаются для структур с пленкой оксида галлия, подвергнутой воздействию кислородной плазмы в течение 20 минут перед высокотемпературным отжигом.

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах) Рисунок 5.19 - Спектральная чувствительность структур металл/0а203/0аЛБ/металл при различной длительности обработки оксидной

пленки в кислородной плазме [51]

На рисунке 5.20 представлена спектральная чувствительность анодных пленок оксида галлия после термического отжига относительных единицах.

0,035

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

X, нм

Рисунок 5.20 - Спектральная чувствительность структуры металл/Оа2О3/ОаЛБ после отжига при 900 °С

Начиная с X = 309 нм наблюдется снижение значений спектральной чувствительности, но на длине волны 236 нм на кривой зависимости от X наблюдается максимум. Далее чувствительность структуры снижается с уменьшением длины волны. Зная максимальное значение спектральной чувствительности при длине волны 236 нм, используя формулу:

к • с

(5.1)

где И - постоянная Планка, с - скорость свет,

X - длина волны максимума спектральной чувствительности,

рассчитали ширину запрещенной зоны исследуемого материала Бё = 5,25 эВ, что сопоставимо с литературными данными [52].

Исходя из выше представленных данных, было проведено исследование влияния УФ излучения с X = 254 нм на ВАХ структур металл/Оа2О3/ОаЛв/металл. На рисунке 5.21 приведены прямые и обратные вольт-амперные характеристики структур на основе анодных пленок оксида галлия, без обработки в КП и подвергнутых воздействию кислородной плазмы в течение 20 и 50 минут до отжига и 20минут после отжига.

цифры около кривых - время обработки структур Ga2O3/«-GaAs в КП (в минутах) Лемн - темновые токи; Е - токи при воздействии УФ-излучением с X = 254 нм Рисунок 5.21 - Прямые и обратные ВАХ структур Оа2О3/ОаЛБ без и при

освещении УФИ

Наиболее заметное влияние излучения наблюдается при малых положительных и отрицательных напряжениях на образце, в окрестности U~ 0 В. Такие структуры обладают фотовольтаическим эффектом, их принято характеризовать как «self-powered photodiodes».

В таблице 5.2 представлены данные значений токов короткого замыкания и напряжений холостого хода, полученные для образцов с разным режимом обработки в кислородной плазме.

Таблица 5.2 - Значения 1кз и ихх при воздействии УФ-излучения с X = 254 нм при различной обработке структур 0а203/«-0аЛв в кислородной плазме

Длительность обработки в кислородной плазме Iкз, А ихх, В

Без О2 2,99 • 10-7 0,29

О2 20 мин до отжига 8,88 • 10-/ 0,17

О2 50 мин до отжига 9,09 • 10-8 0,20

О2 20 мин после отжига 3,15 • 10-7 0,26

При воздействии УФ излучения с X = 254 нм на структуры Ga203/«-GaЛs с пленкой оксида галлия, прошедших обработку в кислородной плазме в течение 20 минут до термического отжига, получили максимальные значения 1кз и минимальные ихх.

Для подтверждения выводов о том, что влияние термического отжига на электрические и фотоэлектрические характеристики структур металл/Ga203/«-GaЛs имеет более общий характер, исследовали образцы с пленкой оксида галлия, полученной методом ВЧ магнетронного напыления на эпитаксиальные слои и-GaЛs с концентрацией N = 9,51014 см-3 [53]. После нанесения оксидной пленки структуры Ga203/«-GaAs отжигали в аргоне в течение 30 минут при температуре 900 °С. Для измерений электрических характеристик на поверхность Ga203 и тыловую сторону полупроводниковой подложки наносили платиновые контакты. Контакт к полупроводнику напыляли в виде сплошной

металлической пленки, а контакт к оксиду галлия создавали напылением металла

-2 2

через маски. Площадь электрода к Ga203 составляла 1,04-10- см .

Темновые вольт-амперные характеристики и ВАХ при воздействии ультрафиолетового излучения исследовали при комнатной температуре с помощью источника-измерителя КейЫеу 2611В. В качестве источника УФ-излучения использовалась криптон-фторовая лампа УЬ-6.С с фильтром на 254 нм. Расстояние между лампой и образцом составляло 1 см, падающая интенсивность

л

излучения равнялась 0,78 мВт/см .

Темновые вольт-амперные характеристики структур с пленкой оксида галлия полученной методом ВЧ магнетронного распыления — нелинейные,

определяются знаком и величиной потенциала на контакте к Ga2O3 (рисунок 5.22, а). При воздействии УФ-излучения прямой ток исследуемых структур снижается, а обратный - увеличивается (рисунок 5.22, а). Наиболее заметное влияние излучения с X = 254 нм наблюдается при низких положительных и отрицательных напряжениях на образце, в окрестности и ~ 0 В (рисунок 5.22, б). Для большинства образцов напряжение холостого хода и^ составляет (0,40-0,43) В, а ток короткого замыкания /кз — (4—10)40" А. Исследованные структуры металл/Ga2O3/«-GaAs обнаруживают свойства фотодиодов, работающих в вольтаическом режиме. При воздействии излучения с X = 254 нм и напряжении и = -0,012 В обратный ток увеличивается более чем на 2 порядка, что позволяет использовать такие структуры в качестве детекторов УФ излучения в диапазоне длин волн 200-280 нм.

-10

^-12 <

¿-14 с

- -16

-18 -20

-22

/ / /

/

> 4

1

-4

-2 -1 0

U, В

а)

б)

ID - темновые ВАХ; ID1 - темновые (остаточные) токи после выключения УФИ; IL1- Ils - ВАХ при непрерывном воздействии излучения с X = 254 нм Рисунок 5.22 - ВАХ структур Ga2O3/«-GaAs с пленками оксида галлия, полученными методом ВЧ магнетронного напыления [53]

На рисунке 5.22, б показано влияние УФ-излучения на ВАХ образцов при непрерывном освещении (кривые 1Ы — 1Ь5). Наибольшие изменения прямых и обратных токов во время действия УФИ наблюдаются при первом опросе

детектора (1ы), при последующих измерениях ВАХ во время непрерывного действия УФ-излучения токи снижаются (кривые 1ь2~1ь5). Снижение фототока при многократном опросе структур во время непрерывного действия УФ излучения объясняется участием ловушечных центров в формировании отклика [53].

Были получены данные о влиянии УФ-излучения с X = 222 нм на структуры металлЮа203/«^аАэ с пленками Ga203 толщиной 100-150 нм полученными на поверхности монокристаллического арсенида галлия с концентрацией доноров N = (1-2)1016 см-3 методом гальваностатического анодного окисления. Анодирование проводилось в водном растворе цитрата аммония и перекиси водорода с постоянной плотностью тока у = 1,5 мкА. Перед процессом анодирования все пластины проходили стандартную процедуру химической обработки. После анодирования подложку с пленкой оксида галлия отжигали в аргоне при температуре 900 °С в течение 40 минут.

Для измерения электрических характеристик на поверхности пленок оксида галлия и тыльной стороне пластины GaAs наносили ванадиевые контакты.

3 2

Электрод площадью 1,9 10- см на поверхности Ga203 формировали с помощью фотолитографии. Контакт к полупроводнику наносили в виде сплошной металлической пленки.

Вольт-амперные характеристики структур Ga203/«-GaAs измеряли с помощью источника-измерителя КейЫеу 2611. Влияние УФ-излучения на фотоэлектрические характеристики исследовали с использованием эксимерной лампы «КгС1» (КгС1-эксилампа) с длиной волны X = 222 нм.

При воздействии излучения с X = 222 нм на структуры с анодными пленками Ga203 после отжига, наблюдается рост прямого и обратного токов (рисунок 5.23). При этом, прямой ток возрастает только до напряжений 3-4 В (рисунок 5.23, а), тогда как рост обратного тока имеет место во всем интервале измеренных напряжений (рисунок 5.23, б). Повышение оптической мощности излучения приводит к росту фототоков. Рост прямого тока при воздействии излучения наблюдается в интервале напряжений, соответствующего возбуждению электронов с ловушечных центров [54].

а) б)

цифры около кривых - мощность падающего излучения (мкВт) Рис. 5.23 - Зависимость прямых (а) и обратных (б) ВАХ от мощности освещения для структур Ga203/«-GaAs с анодными пленками Ga203 после отжига; значения

мощности указаны около кривых [54]

5.3 Выводы по главе 5

Согласно литературным данным как поликристаллические, так и аморфные пленки оксида галлия, полученные различными способами, могут быть прозрачными для видимого света и поглощают излучение в области коротковолнового диапазона длин волн. Результаты нашего эксперимента показывают, что для анодных пленок фотоотклик на излучение с X = 400-700 нм наблюдается только для образцов после высокотемпературного отжига. Другими словами, только для структур с пленкой оксида галлия, имеющей поликристаллическую структуру. Фотоотклик полностью отсутствует для образцов с аморфной пленкой Ga203.

Фотоотклик исследованных структур в видимом интервале длин волн объясняется генерацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда арсенида галлия на границе раздела Ga203/«-GaЛs. В результате воздействия кислородной плазмы увеличивается сопротивление анодных пленок

и повышается их коэффициент пропускания [21] и, как следствие, повышается отклик образцов на излучение в видимом диапазоне.

Наибольший отклик получен для пленок, подвергнутых воздействию кислородной плазмы в течение 20 минут перед отжигом в аргоне при 900 °С. Однако дальнейшее повышение времени воздействия плазмы до 50 минут приводит к обратному эффекту - величина отклика снижается, предположительно за счет уменьшения степени прозрачности пленок. Этот эффект согласуется с данными рентгеновского дифракционного анализа, согласно которым внедрение кислородных атомов в решетку Ga2O3 способствует образованию кристаллитов Р-фазы с различной кристаллографической ориентацией, а значит способствует дополнительному рассеянию света.

Изменение фотоэлектрических характеристик структур в результате отжига пленок оксида галлия при 900 °С в аргоне и воздействия кислородной плазмы обусловлено переходом a-Ga2O3 в Р-фазу. После отжига изменяется механизм проводимости структур, и пленка Ga2O3 становится прозрачной в видимом диапазоне длин волн.

Прозрачные пленки P-Ga2O3 обеспечивают поглощение видимого света в GaAs и появление фототока в МДП-структурах в интервале 400-700 нм. В диапазоне коротких длин волн (X < 240 нм) пропускание пленок оксида галлия становится предельно малым, и рост чувствительности структур объясняется поглощением света в Ga2O3.

Наиболее заметное влияние излучения наблюдается при низких положительных и отрицательных напряжениях на образце, в окрестности U~ 0 В. Такие структуры обладают вольтаическим эффектом, их принято характеризовать как self-powered photodiodes.

Снижение чувствительности S% при повышении длительности воздействия кислородной плазмы до 50 минут вероятно связано с появлением дополнительных дефектов и, возможно, увеличением толщины оксидной пленки за счет взаимодействия кислородных атомов с компонентами полупроводника.

При воздействии УФ излучения с X = 254 нм на структуры Ga2O3/«-GaAs с пленкой оксида галлия, прошедших обработку в кислородной плазме в течение 20 минут до термического отжига, получили максимальные значения /кз и минимальные ихх.

Положение 3, выносимое на защиту: Исследованные структуры обнаруживают фотоотклик в видимом интервале длин волн только после отжига при 900 °С. В диапазоне коротких волн эти же структуры оказываются чувствительны к УФ-излучению независимо от термообработки и способны работать в качестве УФ-детекторов в автономном режиме.

6 Влияние пленок оксида галлия, выращенных методом анодирования, на

концентрацию электронов в СаАэ

Анализ литературных данных показал, что любые технологические операции (анодное окисление, нанесение металлов, обработка в различных атмосферах и т.д.) приводят к образованию дефектов в приповерхностной области полупроводника. Эти дефекты могут существенно влиять на электрические и оптические характеристики полупроводникового материала, а значит и на свойства оптоэлектронных приборов. В связи с этим актуальной задачей является изучение и контроль процессов дефектообразования в полупроводниковых структурах.

Косвенно о наличии дефектов в GaAs можно судить по изменению концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника после различных обработок. Поскольку исследуемые образцы представляют собой МДП-структуры, то для расчета концентрации были использованы экспериментальные вольт-фарадные и вольт-сименсные характеристики.

Емкость МДП-структуры на единицу площади управляющего электрода записывается следующим образом:

с (ф, )д1 = Сд + соПз (ф,), (6.1)

где С^ = —--емкость диэлектрика единичной площади,

а

а д

е0 — электрическая постоянная,

гд и ад — относительная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика соответственно,

ф — поверхностный потенциал, зависящий от знака и величины потенциала и на управляющем электроде;

C - S

сопз S

e ■ Nd -g0 -g,

2\Uk + U)

(6.2)

- емкость области пространственного заряда, ик - контактная разность потенциалов,

85 - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В режиме обогащения и слабого обеднения ф5 зависит от и по логарифмическому закону. В режиме сильного обеднения или слабой инверсии [38]:

Ф, -

a

7

Ii+4-U -1

a

(6.3)

2

где

a -

C

(6.4)

Д

Если толщина диэлектрика мала, то емкость диэлектрика Сд достигает больших значений, и согласно уравнению (6.4) «а» оказывается малой величиной.

2 yJU

Тогда можно считать, что в формуле (6.3) -»1, и фS = U. В этом случае

а

практически все напряжение падает на ОПЗ.

Л

Построив зависимость (1/СОПЗ) от иобр и определив тангенс угла наклона прямой к оси напряжений tga, можно рассчитать значение Nd для каждого конкретного случая:

106 1 1

С С С

СОПЗ СИЗМ СД

(6.5)

где СИЗМ - полная емкость МДП-структуры, которая определяется экспериментально.

1 2 \ик + V)

— = ———Ч> (6.6)

СОПЗ е ■ К* 'В 'В0 ■ ^

Из выражения (6.6) следует, что при постоянном значении зависимость

Л

(1/СОПЗ) от и изображается прямой с тангенсом угла наклона, равным

2

= 772-7Т' (6.7)

5 ■ е■е,-бо ■ N

Из выражения (6.7):

2

^ = ~о2-—' (6.8)

5 ■ е ■ е, ■ е0 ■

Считаем, что при 300 К мелкая донорная примесь в полупроводнике полностью ионизована и п0 = Ыа. Тогда, используя соотношение (6.8), можно оценить, как изменяется концентрация носителей заряда при движении от границы раздела Оа2О3/ОаЛв вглубь полупроводника. Расстояние от границы раздела оксидная пленка/полупроводник рассчитывали по формуле:

х

V

2 ■е -еп-(Фп± е ■ V)

—' 0 ; 0-, (6.9)

е ■ по