Ga₂O₃ film formed by electrochemical oxidation n-GaAs wafers in galvanostatic mode.pdf Введение Оксид галлия Ga2O3 относится к большой группе металлооксидных соединений, получивших широкое применение в электронном и оптоэлектронном приборостроении. Наибольший научный и практический интерес представляют α- и β-фазы оксида галлия. Большая ширина запрещенной зоны (Еg = 4.6-5.4 эВ), зависящая от способа получения и последующих технологических обработок, позволяет использовать данный материал для создания оптоэлектронных устройств, работающих в диапазоне коротких длин волн [1]. Одним из методов получения пленок оксида галлия является анодное окисление (анодирование), которое представляет собой процесс создания оксида на поверхности полупроводника путем анодной поляризации в проводящей среде. Анодирование - наиболее щадящий способ получения диэлектрической пленки на поверхности полупроводника, который обеспечивает наименьшую энергетическую плотность дефектов на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Анодное окисление может быть проведено в трех режимах: гальваностатическом, при постоянной плотности тока; потенциостатическом, при постоянном напряжении; или при сочетании обоих вариантов, т.е. в комбинированном режиме [2]. В данной работе представлены результаты исследования влияния термического отжига на электрические и фотоэлектрические характеристики структур Gа2O3/n-GaAs с анодной пленкой Gа2O3, полученной в гальваностатическом режиме. Методика эксперимента Пленки оксида галлия толщиной 100-150 нм получали на поверхности монокристаллического арсенида галлия с концентрацией доноров Nd = (1-2)•1016 см-3 методом анодного окисления. Анодирование проводилось в водном растворе цитрата аммония и перекиси водорода при использовании гальваностатического режима с постоянной плотностью тока j = 1.5 мкА. Перед процессом анодирования все пластины проходили стандартную процедуру химической обработки. После анодирования подложку с пленкой оксида галлия делили на две равные части. Часть пластины проходила термический отжиг в аргоне при температуре 900 ºС в течение 40 мин. Для измерения электрических характеристик на поверхности пленок оксида галлия и тыльной стороне пластины GaAs наносили ванадиевые электроды методом электронно-лучевого испарения. Контакты к Ga2O3 формировали с помощью фотолитографии. Площадь металлического электрода к пленке Ga2O3 (управляющий электрод) составила 1.9•10-3 см2. Электрод к полупроводнику наносили в виде сплошной металлической пленки. Методом рентгено-дифракционного анализа (XRD) определяли фазовый состав анодных пленок оксида галлия, результаты исследований приведены в работе [3]. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур Ga2O3/n-GaAs измеряли с помощью источника-измерителя Keithley 2611. Влияние УФ-излучения на фотоэлектрические характеристики исследовали с использованием эксимерной лампы «KrCl» с длиной волны λ = 222 нм. Образцы подвергали воздействию УФ-излучения со стороны электрода к Ga2O3. Результаты эксперимента ВАХ структур Ga2O3/n-GaAs без термического отжига не симметричны относительно полярности напряжения (рис. 1). Рис. 1. Прямая (кр. 1) и обратная (кр. 2) ВАХ структуры Ga2O3/n-GaAs с анодной пленкой Ga2O3 без термического отжига При положительных потенциалах на затворе имеет место инжекция электронов из n-GaAs в пленку Ga2O3. Анализ данных в двойном логарифмическом масштабе (рис. 2, а, кривая 1) позволяет считать, что прямые ВАХ определяются токами, ограниченными пространственным зарядом с учетом ловушек, распределенных по энергии в запрещенной зоне Ga2O3. В интервале напряжений 1.5 ≤ U ≤ 7.5 В ток I ~ U 2. При дальнейшем повышении напряжения ток резко возрастает и при U ≥ 12 В ток I ~ U 13. Рис. 2. Прямая (а) и обратная (б) ВАХ структуры Ga2O3/n-GaAs с анодной пленкой Ga2O3: кр. 1 - без термического отжига, кр. 2 - после термического отжига При отрицательных потенциалах на управляющем электроде имеет место инжекция электронов из металлического контакта в полупроводник и зависимость плотности тока от напряжения описывается выражением [4] , (1) где ; - эффективная масса электронов в зоне проводимости оксида галлия ( = 0.28 m0); m0 - масса свободного электрона; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура в К; - напряженность электрического поля; ε - высокочастотная диэлектрическая проницаемость оксида галлия; ε0 - электрическая константа; φb - высота потенциального барьера на границе металл - Ga2O3. В соответствии с уравнением (1) на рис. 2, б (кривая 1) приведена обратная ВАХ образца без отжига в координатах lnI от U 0.5. Используя экспериментальные данные и уравнение (1), определили высоту потенциального барьера на границе ванадий - Ga2O3: φb = (1.01±0.01) эВ. Полученное значение φb не противоречит данным работы [5]. При воздействии излучения с λ = 222 нм (оптическая мощность Р = 55.7 мкВт) практически отсутствуют изменения прямого тока (рис. 3, а), однако обратные токи повышаются при тех же условиях освещения (рис. 3, б) по сравнению с темновыми значениями тока ID. Рис. 3. Прямые (а) и обратные (б) ВАХ образцов без отжига: кр. 1 - темновые токи; кр. 2 - токи при освещении: λ = 222 нм, Р = 55.7 мкВт Зависимость изменений обратного тока (IобрL-IобрD)/IобрD от напряжения при воздействии излучения с λ = 222 нм для нескольких образцов показана на рис. 4. Согласно рис. 4, максимальное изменение обратного тока при освещении (IL) наблюдается при малых напряжениях U на структурах. При U = 0.3-0.5 В отношение (IобрL-IобрD)/IобрD равняется 1000-1800 (рис. 4). Снижение отношения фототока к темновому с повышением напряжения объясняется ростом тока утечки при больших значениях U. Рис. 4. Зависимость изменений обратного тока от напряжения структур Ga2O3/n-GaAs с анодной пленкой Ga2O3 без термического отжига для пяти образцов; номера образцов указаны около кривых Изменение структуры и состава оксидной пленки в результате отжига [3] вызывает изменения на границе раздела Ga2O3/n-GaAs. После отжига прямые токи оказываются ниже аналогичных данных для образцов без отжига. Однако отжиг структур при 900 ºС не приводит к изменению механизмов проводимости при положительных и отрицательных потенциалах на управляющем электроде, но изменяются количественные значения токов. Прямые ВАХ по-прежнему определяются токами, ограниченными пространственным зарядом с учетом ловушек, распределенных по энергии. Из анализа данных рис. 2, а (кривая 2) следует, что начальный участок ВАХ (0 ≤ U ≤ 1.5 В), описываемый линейной зависимостью тока от напряжения, сменяется степенной зависимостью Iпр ~ U 15.8 в интервале 3.0 ≤ U ≤ 4.5 В. Резкий рост тока в указанном интервале напряжений обусловлен интенсивным переходом электронов с ловушечных центров в зону проводимости оксида галлия. При дальнейшем повышении напряжения рост тока ослабевает и при U > 4.5 В ток Iпр ~ ~ U 3.75. После отжига пленок Ga2O3 обратные ВАХ по-прежнему спрямляются в координатах lnIобр ~ U 0.5 (рис. 2, б, кривая 2), но тангенс угла наклона прямой lnIобр к оси напряжений отличается от аналогичных данных для кривой 1. Высота потенциального барьера φb после отжига снижается до (0.91±0.01) эВ. Снижение высоты потенциального барьера после отжига обеспечивает более высокие обратные токи по сравнению с прямыми токами, что объясняет аномальные темновые ВАХ при напряжениях 0 ≤ U ≤ 3 В (рис. 5). Рис. 5. Прямая (кр. 1) и обратная (кр. 2) ВАХ структуры Ga2O3/n-GaAs с анодной пленкой Ga2O3 после термического отжига При воздействии излучения с λ = 222 нм на структуры с анодными пленками Ga2O3 после отжига наблюдается рост прямого и обратного токов. При этом прямой ток возрастает только до напряжений 3-4 В, тогда как рост обратного тока имеет место во всем интервале используемых напряжений (рис. 6). Повышение оптической мощности излучения приводит к росту фототоков. Рост прямого тока при воздействии излучения наблюдается в интервале напряжений, соответствующем возбуждению электронов с ловушечных центров. Рис. 6. Зависимость прямых (а) и обратных (б) ВАХ от мощности освещения для структур Ga2O3/n-GaAs с анодными пленками Ga2O3 после отжига; значения мощности указаны около кривых После отжига чувствительность структур Ga2O3/n-GaAs к УФ-излучению повышается на порядок, и при малых напряжениях отношение (IобрL-IобрD)/IобрD для обратных токов достигает 6•104 (рис. 7, кривая 2). Рис. 7. Зависимость (IобрL-IобрD)/IобрD от напряжения для образцов с анодной пленкой Ga2O3 без термического отжига (кр. 1) и после термического отжига (кр. 2) Заключение Исследованы электрические и фотоэлектрические характеристики структур Ga2O3/n-GaAs с анодными пленками оксида галлия, полученными окислением n-GaAs в гальваностатическом режиме. ВАХ структур Ga2O3/n-GaAs без термического отжига не симметричны относительно полярности напряжения. При положительных потенциалах на затворе имеет место инжекция электронов из n-GaAs в пленку Ga2O3, при отрицательных потенциалах на управляющем электроде имеет место инжекция электронов из металлического контакта в полупроводник. Пленки оксида галлия без термического отжига обнаруживают чувствительность к УФ-излучению с λ = 222 нм (оптическая мощность Р = 55.7 мкВт) только при отрицательном потенциале на управляющем электроде. Термический отжиг исследуемых пленок не меняет механизма протекания тока в структурах, при этом чувствительность структур Ga2O3/n-GaAs к УФ-излучению повышается на порядок и при малых напряжениях отношение (IобрL-IобрD)/IобрD для обратных токов достигает 6•104.

Скачать электронную версию публикации