Влияние водорода на фотоэлектронные свойства гетероструктур с квантовыми ямами и точками GaAs/In x Ga1-x As тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Шоболов, Евгений Львович

• Шоболов, Евгений Львович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шоболов, Евгений Львович

Список основных обозначений и сокращений.

Введение.

1. Влияние водорода на свойства полупроводников и полупроводниковых структур. Водородные сенсоры (Обзор литературы).

1.1. Обратимое влияние водорода на свойства полупроводниковых структур. Водородные сенсоры.

1.2. Пассивация дефектов в полупроводниках атомарным водородом.

1.3. Влияние квантоворазмерных слоев на образование и пассивацию дефектов.

2. Методика эксперимента.

2.1. Исследованные структуры и образцы.

2.2. Методы исследования.

3. Влияние водорода на свойства диодных МОП структур с квантовыми ямами и точками Рс1/оксид/СаА8/1пСаА8.

3.1. Влияние толщины анодного оксида на характеристики структур и их чувствительность к водороду.

3.2. Влияние квантоворазмерных слоев на ВАХи чувствительность диодных структур к водороду.

3.3. Кинетика влияния водорода.

3.4. Влияние водорода на планарную проводимость и фотопроводимость структур с квантовыми ямами ваАз/ТпваАз и островковым слоем Рс1 на поверхности. 77 3.4.1. Характеристики газовых сенсоров с островковым Рс1 электродом.

3.5. Влияние водорода на фотоэлектронные свойства планарных структур Р<Ж}аА8 на основе полуизолирующего и высокоомного арсенида галлия с квантовыми ямами и точками.

3.6. Влияние микрорельефа поверхности полупроводника на чувствительность к водороду.

3.6.1. Увеличение чувствительности к водороду кремниевого диода Шоттки путем модификации микрорельефа поверхности полупроводника.

3.6.2. Влияние модификации поверхности полупроводника на свойства водо-родочувствительных диодов Шоттки на арсениде галлия.

4. Явления дефектообразования и пассивации дефектов в диодных МОП структурах с квантовыми ямами и точками Рд/оксид/ОаАвЯпОаАв.

4.1. Дефектообразование при анодном окислении ваАБ.

4.1.1. Дефектообразование при анодном окислении гетероструктур комбинированными слоями КЯ и КТ ваАв РсУоксид/ОаАзЛпОаАз.

4.2. Дефектообразование при нанесении Рс1 электрода.

4.3. Пассивация дефектов при обработке структур в атмосфере молекулярного водорода.

4.4. Дефектообразование и водородная пассивация дефектов в структурах с квантовыми ямами ОаА8/1пОа

§ и островковым слоем Рё на поверхности.

4.5. Влияние магнетронного облучения в водородной плазме на фотоэлектронные свойства гетероструктур с КЯ и КТ СаАз/МЗаАз.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние водорода на фотоэлектронные свойства гетероструктур с квантовыми ямами и точками GaAs/In x Ga1-x As»

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния водорода на фотоэлектронные свойства диодных структур Рс1/ваАзЯп^Са]Аз на основе эпитаксиальных слоев ОаАз и гетероструктур с встроенными в приповерхностной области ОаАБ квантовыми ямами 1пОаА8 и самоорганизованными квантовыми точками 1пАб с Р(1 блокирующим электродом, обладающим высокой каталитической активностью по отношению к водороду. Исследовались их свойства как сенсоров водорода и явления дефектообразования и пассивации дефектов при гидрогенизации этих структур.

Актуальность темы

Способность атомарного водорода взаимодействовать с примесями и дефектами полупроводниковых материалов давно привлекает внимание исследователей в связи с возможностью использования этого явления для изменения электрофизических и фотоэлектронных свойств полупроводников. Достоверно установлено, что водород эффективно взаимодействует практически со всеми типами дефектов (примесями и структурными дефектами), расположенными на поверхности и в объеме полупроводника, куда он проникает в результате диффузии [1-2].

Характер взаимодействия водорода с полупроводником во многом определяется способом и условиями процесса гидрогенизации. При определенных условиях (как правило, при невысокой температуре и низкой энергии атомов водорода) наблюдается обратимое влияние водорода на характеристики полупроводниковых структур [1-2]. После прекращения воздействия водорода происходит релаксация структуры и возврат ее свойств к первоначальным.

При достаточно высокой энергии атомов водорода и/или высокой температуре обработки наблюдаются необратимые эффекты влияния гидрогенизации. Значительную практическую ценность представляет эффект водородной пассивации различных дефектов и примесей на поверхности и в объеме полупроводника с образованием электрически не активных водородно-дефектных комплексов [1-2]. Однако, поскольку в качестве источника атомарного водорода традиционно используется высокоэнергетическая водородная плазма тлеющего разряда, гидрогенизации, как правило, сопутствует процесс радиационной генерации дефектов на поверхности [3]. В связи с этим актуальной задачей является исследование процессов дефектообразования при гидрогенизации и выяснение возможности бездефектного введения водорода в полупроводник.

Эффект обратимого влияния водорода нашел широкое практическое применение в разработке и изготовлении водородочувствительных сенсоров. Они могут работать на основе различных физических принципов, однако особое место в большом разнообразии водородных сенсоров занимают сенсоры на основе барьерных структур металл/оксид/полупроводник (МОП диоды с туннельно-прозрачным слоем оксида и МОП конденсаторы) с каталитически активным по отношению к водороду электродом, в качестве которого обычно используется Рс1. Такие сенсоры вписываются современную микроэлектронную технологию и отличаются высокими техническими и эксплуатационными характеристиками (простота изготовления, низкая стоимость, малые габариты, низкое энергопотребление, высокая чувствительность и быстродействие). В этих детекторах принцип регистрации водорода основан на измерении изменения электрических характеристик в зависимости от концентрации водорода, а именно - изменения обратных или прямых токов у МОП диодов, являющихся, по сути, диодами Шоттки (ДШ), и ёмкости у МОП конденсаторов [4].

Наличие диэлектрического слоя между Рс1 и полупроводником, в качестве которого обычно используется естественный или термический оксид полупроводника, необходимо для проявления сенсорных свойств этих структур. Предполагается, что он предотвращает химическое взаимодействие Рс1 с полупроводником, при котором образуется сплав или соединение Рс1, не обладающее каталитическими свойствами. Однако в литературе отсутствуют систематические исследования влияния оксидной прослойки на свойства водородочувствительных сенсоров.

Значительное влияние на характеристики получаемых сенсоров оказывает исходное состояние поверхности полупроводника [6-9]. Кроме того, сами процессы окисления и нанесения Р<1 электрода существенно изменяют свойства приповерхностной области структуры. В связи с этим важными задачами, имеющими как научное, так и прикладное значение, являются выяснение влияния морфологии поверхности полупроводника, процессов окисления и нанесения слоя Р<1 на свойства создаваемых структур.

Подавляющее большинство экспериментальных исследований водородо-чувствительных структур посвящено МОП структурам на основе кремния. В работах [5-6] показано, что по многим параметрам водородочувствительные диоды на основе полупроводников АШВУ не уступают кремниевым. Следует отметить, что МОП структуры на основе полупроводников АШВУ, в частности ваАз, имеют большую потенциальную возможность для создания новых приборов микро- и оптоэлектроники, СВЧ-техники и т.д. Это связано как со свойствами самого ОаАэ, так и с возможностью создания на его основе высококачественных квантоворазмерных структур (КРС) с квантовыми ямами (КЯ) и точками (КТ). Изготовление водородочувствительных МОП структур на базе ваАБ и управление их основными характеристиками воздействием внешней среды расширяет возможности существующих приборов.

Явление пассивации электрически и фотоактивных дефектов атомарным водородом относительно широко исследовалось в однородных полупроводниках (81,1пР, ваАэ, и др.) [1-2] и в значительно меньшей степени - в неоднородных структурах, в частности в гетероструктурах с квантовыми ямами и точками. В отличие от однородных полупроводников, действие водорода в квантоворазмерных гетероструктурах имеет свои особенности, связанные с влиянием гетерограниц и полей упругих напряжений на процессы миграции и комплек-сообразования водорода и дефектов, которые обычно порождает гидрогенизация структур. Напряженный слой КЯ или КТ создает для мигрирующих дефектов и примесей потенциальный барьер, если их проникновение в материал КЯ увеличивает упругие напряжения в ней, или потенциальную яму в противоположном случае [3]. Этот эффект может быть использован для улучшения сенсорных свойств таких структур, в частности для повышения их чувствительности к водороду.

В [10-11] показано, что КЯ, встроенные в базовый полупроводник на малых расстояниях от поверхности, могут быть использованы в качестве зондов, реагирующих на появление в окрестности ям дефектов, изменяющих их реком-бинационные характеристики. Дополнительные радиационные дефекты, появляющиеся в яме или на ее гетерограницах, изменяют интенсивность фотолюминесценции в КЯ, что позволяет эффективно контролировать локальную концентрацию дефектов и профиль их распределения в приповерхностной области. Кроме спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) для контроля состояния КЯ могут использоваться фотоэлектрические методы, основанные на измерениях конденсаторной фотоэдс (КФЭ) или фотопроводимости (ФП), которые значительно слабее [3] зависят от концентрации рекомбинационных центров в материале КЯ, чем ФЛ, что позволяет исследовать сильно дефектные, нелюминес-цирующие структуры.

Основные цели и задачи работы

В связи с вышеизложенным определились основные цели работы:

1. Изучение обратимого влияния водорода на фотоэлектрические характеристики водородочувствительных диодных МОП структур с Р<1 электродом на основе однородных эпитаксиальных слоев ваАз и гетероструктур с КЯ ЬЮаАв и КТ 1пА8.

2. Исследование необратимого влияния водорода на фотоэлектронные свойства МОП структур Рё/оксид/СаАзЯпСаАз с КЯ и КТ, связанного с де-фектообразованием и пассивацией дефектов при гидрогенизации.

В рамках данных целей решались следующие основные задачи: 1. Изучение влияния водорода на фотоэлектрические свойства структур Рё/оксидЮаАз. Выяснение влияния толщины оксида и Рс1 электрода на их свойства.

2. Выяснение возможности улучшения сенсорных свойств водородочувст-вительных структур путем модификации поверхности полупроводника встраиванием в приповерхностную область ваАя квантовых ям ¡пДла^Аз и квантовых точек 1пАз, изменением морфологии поверхности селективным травлением, а также разработка новых типов структур.

3. Исследование явления пассивации дефектов при введении атомарного водорода из низкоэнергетической водородной плазмы магнетронного разряда, а также из атмосферы молекулярного водорода через каталитически активный по отношению к водороду Р<1 электрод.

4. Исследование процессов дефектообразования при анодном окислении ваАз и нанесении Рс1 электрода с использованием КЯ как индикаторов дефектов.

Научная новизна

В данной работе впервые:

1. Получены зависимости электрических и фотоэлектрических характеристик водородочувствительных диодных МОП структур Рё/оксидАЗаАз от толщины анодного оксида и определена его оптимальная толщина для водородных сенсоров.

2. Показано, что встраивание в область пространственного заряда ваАз напряженных слоев КЯ ¡гЮаАз и КТ 1пА8 существенно увеличивает чувствительность к водороду диодов Шоттки на основе ваАз.

3. Установлено, что неполирующее травление поверхности ваАз и позволяет значительно повысить чувствительность и обнаружительный порог водородочувствительных диодов Шоттки.

4. Установлено, что при нанесении вместо сплошного островкового слоя Рс1 на поверхность окисленного ваАз сохраняется чувствительность структур к водороду и при этом значительно уменьшается дефектообразование в приповерхностной области полупроводника.

5. Показана возможность пассивации дефектов в квантоворазмерных гете-роструктурах СаАзЛи/За,.^ с КЯ и КТ при их обработке в низкоэнергетической магнетронной водородной плазме, а с Рё электродом - в атмосфере молекулярного водорода.

6. Обнаружено образование дефектов с глубокими уровнями в приповерхностной области полупроводника (на глубине до 1 мкм) при нанесении электродов из Рс1 и №.

Практическая ценность

1. Разработаны способы повышения чувствительности и обнаружительного порога водородочувствительных диодов Шоттки на ваАз, основанные на встраивании в область пространственного заряда ваАз напряженных квантоворазмерных слоев 1пАв и 1пОаА8 и неполирующем травлении поверхности полупроводника (для 81).

2. Предложены новые типы водородочувствительных сенсоров:

- на полуизолирующем ваАБ с двумя планарными Рё электродами, расположенными на окисленной поверхности на малом расстоянии друг от Друга;

- фоторезистивная планарная структура с островковым слоем Рс1 на поверхности ваАБ.

3. Показана возможность эффективной пассивации дефектов в КРС путем их обработки в низкоэнергетической магнетронной плазме водорода, а также в атмосфере молекулярного водорода (с Р<1 электродом).

4. Разработан фотоэлектрический метод выявления дефектов, образующихся при нанесении металлического электрода (Рё, №) и связанных с химическим взаимодействием металла и полупроводника. Метод основан на сравнении спектров примесной фоточувствительности диодных структур металл/полупроводник и системы электролит/полупроводник.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции "Структура и свойства твердых тел" (Нижний Новгород, 1999); I и II Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1999, 2000); II Международной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (Саратов, 2000) и опубликованы в работах [А1-А15].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В МОП диодах Pd/GaAs с тонким (до 8 нм) слоем анодного оксида существенное влияние на вольтамперные характеристики оказывают металлические мостики, возникающие в оксидном слое из-за наличия в нем микроскопических пор. Оптимальная толщина анодного оксида, предотвращающего химическое взаимодействие каталитического электрода из Pd с полупроводником и обеспечивающего высокую чувствительность, для водородных сенсоров на основе GaAs составляет 3-^5 нм.

2. Модификация поверхности GaAs путем встраивания в приповерхностную область квантовых ям InGaAs или квантовых точек InAs позволяет повысить (до трех порядков) чувствительность по обратному току и обнаружи-тельный порог водородочувствительных диодов Шотгки. Увеличение обратного тока таких диодов связано с термоактивированным туннелирова-нием электронов из металла на уровни КТ.

3. Изменение морфологии поверхности GaAs путем неполирующего травления увеличивает чувствительность к водороду ДС Pd/GaAs из-за увеличения адсорбционной активности травленой поверхности GaAs.

4. Дефектообразование при нанесении каталитического электрода на поверхность окисленного GaAs имеет в основном химическую природу и определяется материалом электрода. Концентрация дефектов в приповерхностной области GaAs при нанесении слоя Pd падает с увеличением толщины анодного оксида и уменьшением толщины Pd электрода. Нанесение вместо сплошного островкового слоя Рс1 на поверхность окисленного ОаАз приводит к значительно меньшему дефектообразованию в приповерхностной области полупроводника. При этом слой Р<3 сохраняет высокую каталитическую активность по отношению к водороду. Планарные фоторезисторы с островковым слоем Рс1 являются эффективными сенсорами водорода.

5. В диодных структурах с каталитическим Рс1 электродом пассивацию дефектов в квантоворазмерных слоях возможно осуществлять при термообработке в атмосфере молекулярного водорода. При обработке в водороде структур с несколькими слоями КЯ или с комбинированными слоями КТ и КЯ ближний к поверхности квантованный слой эффективно защищает расположенные ниже квантово-размерные слои от проникновения в них дефектов, но пропускает водород. Обработка квантово-размерных гетеро-структур в низкоэнергетической водородной плазме магнетронного разряда при оптимальных условиях обработки позволяет получить эффект усиления фотолюминесценции во втором от поверхности квантованном слое КЯ или КТ до двух порядков.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Шоболов, Евгений Львович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении кратко сформулируем основные выводы, сделанные по результатам работы:

1. Установлены зависимости электрических и фотоэлектрических характеристик, а также чувствительности к водороду диодных МОП структур с квантовыми ямами Рё/анодный оксидЛлаАзЛпОаАБ от толщины анодного оксида, предотвращающего взаимодействие Рё с СаАэ. Показано существенное влияние металлических мостиков в тонких (до 8 нм) слоях оксида на характеристики структур. В результате эффективная толщина оксидного слоя в локальных участках, через которые в основном идет ток, оказывается значительно меньше номинальной толщины при ее малых значениях. Определена оптимальная номинальная толщина анодного оксида («3^5 нм) для водородных сенсоров.

2. На разных типах водородочувствительных структур показано, что в результате встраивания слоев квантовых ям 1пСаАз или точек 1пАб в приповерхностную область ваАэ чувствительность структур к водороду повышается в несколько раз. Данный эффект связывается в основном с задержкой напряженными квантоворазмерными слоями диффузии водорода в объем ваАБ, что приводит к увеличению его концентрации как в слое оксида, так и на границе оксида с ОаАэ. Обнаружено увеличение обратного тока диодов Шоттки при встраивании слоев КТ на близких расстояниях от Рё контакта (~ 5 нм), связанное с туннелированием электронов на уровни квантовых точек.

3. Предложен и исследован новый тип водородочувствительных структур на основе ваАБ - планарные фоторезисторы с островковым (непроводящим) слоем Рё на поверхности, обладающие высоким быстродействием. Их чувствительность к водороду обусловлена барьерной природой фотопроводимости в эпитаксиальных слоях ЭаАэ, которая определяется высотой барьера на границе Рё/оксид/ОаАБ, изменяющейся в результате хемосорб-ции атомарного водорода.

4. Показано, что диодные структуры на основе полуизолирующего ОаАэ с планарными Рё электродами, расположенными на окисленной поверхности, обладают высоким быстродействием. Чувствительность таких структур к водороду может быть увеличена нанесением на полуизолятор эпи-таксиального слоя ваАБ со встроенными напряженными квантово-размерными слоями 1пОаАБ (более чем на порядок в структурах с КТ). Во столько же раз наблюдалось улучшение обнаружительного порога в структурах с КЯ и КТ.

5. Показано, что создание травлением развитого микрорельефа на поверхности кремния в диоде Шоттки Рё/анодный оксид/81 приводит к увеличению плотности состояний на границе раздела оксид^ и значительному увеличению чувствительности структуры к водороду (на порядок) при регистрации по обратному току.

6. Установлено, что модификация поверхности полупроводника в водородо-чувствительных диодах Шоттки на основе ОаАБ путем неполирующего травления может увеличивать чувствительность к водороду почти на 2 порядка величины. Это увеличение связывается с увеличением адсорбционной активности границы раздела Рё/оксид и оксид/ваАз. Для эффекта очувствления после травления определяющим является химический состав травителя.

7. С использованием квантовых ям как индикаторов дефектов обнаружено образование дефектов при нанесении Рё электрода на естественную и окисленную поверхность ОаАБ, связанное с химическим взаимодействием Рё и СаАБ. Показано, что дефектообразование уменьшается при увеличении толщины анодного оксида и уменьшении толщины слоя Рё.

8. В КРС с комбинированными слоями КТ и КЯ обнаружен эффект экранировки первым слоем КТ или КЯ последующих квантово-размерных слоев от проникновения в них дефектов, генерируемых на поверхности структуры.

9. Установлена возможность пассивации дефектов в диодных структурах путем введения атомарного водорода через Рс1 электрод при обработке структур в атмосфере молекулярного водорода. При этом первый от поверхности слой КЯ эффективно защищает расположенные дальше кванто-во-размерные слои от проникновения в них дефектов, но пропускает водород. Это приводит к гашению ФЛ в первом слое и усилению ФЛ в других слоях.

10. Установлено, что нанесение островкового слоя Р<1 существенно уменьшает дефектообразование в приповерхностном слое ОаАэ, и при этом слой Р<1 сохраняет высокую каталитическую активность по отношению к водороду. Уменьшение дефектообразования связывается со снижением напряжений в оксидном слое, создаваемых слоем Рс1, что способствует улучшению структуры оксида и препятствует диффузионному взаимодействию ОаАэ с Р<1.

11. Изучены эффекты дефектообразования и пассивации дефектов при обработке КРС в низкоэнергетической водородной плазме магнетронного разряда. Найдены условия, при которых наблюдается пассивация дефектов в этих структурах. Установлено, что напряженной слой КЯ или КТ, расположенный ближе к поверхности, эффективно защищает внутренний объем КРС от проникновения дефектов.

12. Разработан метод изучения дефектов в полупроводниках, создающих глубокие уровни, основанный на сравнительном измерении малосигнальной фотоэдс диодных структур с металлическим и электролитическим контактами. С помощью данного метода установлены эффекты образования дефектов с глубокими уровнями в и ваАз под напыленными на их поверхность металлическими электродами из N1 и Рс1. Оценены глубина их проникновения в полупроводник, концентрация и энергетическое положение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шоболов, Евгений Львович, 2003 год

1. М. Stavola // Acta Phys. Pol. A, 82, 585 (1992).

2. Defect Control in Semiconductors. Ed. M. Sumino // Science Publishers B.V. (North-Holland), 1990, P. 53-59.

3. И.А. Карпович, A.B. Аншон, Д.О. Филатов // ФТП, 32 (9), 1089 (1998).

4. A.B. Евдокимов, М.Н. Муршудли, А.Е. Ржаиов, и др. // Зарубежная электронная техника, 231 (2), 3 (1988).

5. Б.Б. Кулиев // Радиотехника и электроника. 8, 1648 (1985).

6. H.Y. Nie, Y. Nannichi // J. Appl. Phys. 30 (5), 906 (1991).

7. В. Keramati, J.N. Zemel // J.Appl. Phys. 53 (2), 1091 (1982).

8. P.E. Bagnoli, A. Nannini // Solid-State Electronics. 30 (10), 1005 (1987).

9. M. Eriksson, I. Lundstrom, L.-G. Ekadahl // J. Appl. Phys. 82 (6), 3143 (1997).

10. И.А. Карпович, A.B. Аншон, H.B. Байдусь и др. // ФТП, 28 (1), 104 (1994).

11. И.А. Карпович, А.В. Аншон, Н.В. Байдусь и др. // Известия академии наук. Серия физическая. 58 (5), 213 (1994).

12. Е.М. Omeljanovsky, A.V. Pakhomov, A.Y. Polyakov // Semicond. Sci. Tech-nol. 4, 947(1989).

13. C.H. Seager, R.A. Anderson, D.K. Brice // J. Appl. Phys. 68, 3268 (1990).

14. O.B. Феклисова, Е.Б. Якимов, H.A. Ярыкин // ФТП, 36 (3), 301 (2002).

15. X.A. Абдулин, Ю.В. Горелкинский, Б.Н. Мукашев и др. // ФТП, 36 (3), 257 (2002).

16. S.J. Pearton // J. Appl. Phys. 77 (11), 6058 (1995).

17. S.J. Pearton, F. Ren, S.N.G. Chu. et al. // J. Appl. Phys. 74 (11), 6580 (1993).

18. D.M. Kozucn, M. Stavola, S.J. Pearton // J. Appl. Phys. 73 (8), 3716 (1993).

19. Y. Miyamoto et al. Appl. Phys. Lett. // 75, 2915 (1999).

20. A. Jalil, A. Heurtel, Y. Marfaing et al. // J. Appl. Phys. 66 (12), 5854 (1989).

21. Q. Liu, A. Brennemann // J. Appl. Phys. 79 (2), 710 (1996).

22. S J. Pearton, W.C. Dautremont-Smith, J.Chevallier et al. // J. Appl. Phys. 59 (8), 2821 (1987).23