ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF GaAs STRUCTURES WITH SCHOTTKY BARRIERS .pdf В течение многих десятилетий усилия большого числа исследователей - экспериментаторов и теоретиков - направлены на выяснение физической картины процессов, протекающих в поверхностно-барьерных структурах. Задача оказалась достаточно сложной, однако необходимость ее решения связана с практическими возможностями приборов с барьером Шоттки, составляющих в значительной степени элементную базу современной электроники.К середине 70-х гг. появился ряд монографий, в которых довольно полно были изложены классические представления о формировании потенциального барьера и механизмах переноса носителей заряда в поверхностно-барьерных системах. Невыясненными оставались вопросы, связанные с природой поверхностных состояний, закрепляющих уровень Ферми в таких системах, например, как металл - арсенид галлия, и с некоторыми особенностями поведения вольт-амперных характеристик в области низких температур.Дальнейшее широкое внедрение в промышленности структур с барьером Шоттки потребовало решения вопросов, связанных с повышением надежности и стабильности электрических характеристик диодов, выяснения механизмов деградации электрических параметров.Интерес к этим исследованиям не ослабевает до настоящего времени, о чем свидетельствует огромное число публикаций. Однако большинство экспериментальных и теоретических работ ведутся в узком секторе физических явлений. Отсутствие комплексных исследований не позволяет воспринять картину происходящих физических процессов в структурах с барьером Шоттки в целом, особенно при различных внешних воздействиях.Целью наших работ являлось изучение зависимости электрических характеристик структур с барьером Шоттки на основе арсенида галлия от материала барьерообразующе-го контакта, условий термического отжига, внутренних механических напряжений и внешнего давления, структурных дефектов с глубокими уровнями. На основе полученных закономерностей - определение возможных путей повышения стабильности электрических характеристик структур, а также установление возможности их использования в качестве чувствительных элементов датчиков различных неэлектрических величин (температуры, давления). Данная статья является обзором результатов многолетних исследований структур с барьером Шоттки - одного из научных направлений отдела физики полупроводников СФТИ под руководством А.П. Вяткина.ВЛИЯНИЕ МЕЖФАЗНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТА МЕТАЛЛ - АРСЕНИД ГАЛЛИЯНа первом этапе проводились исследования закономерностей формирования элементного и фазового составов в свежеприготовленных и подвергнутых отжигу структурах на GaAs, влияния межфазных взаимодействий на границе раздела на вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур, поиск систем, стабильных при высокотемпературном отжиге.Изучались системы, содержащие в качестве контактных металлов Pd, Pd+Ni+W; многослойные покрытия Au - Hf, Au - Mo - Hf, Al - LaB6. В качестве параметров, характеризующих отклонение ВАХ от идеальной, принимались значения высоты потенциального барьера Фb и показателя идеальности n, рассчитанные из линейного участка прямой ветви ВАХ в координатах ln I от U. При анализе ВАХ предполагалось, что в исходных структурах механизм переноса носителей заряда, при концентрациях свободных носителей в GaAs n0 = 8·1015 - 6·1016 см-3, определяется термоэлектронной эмиссией (T-эмиссией).Тонкопленочные структуры металл - полупроводник являются термодинамически неравновесными. Поэтому для них характерны процессы взаимной диффузии элементов и фазообразование, протекающие при низких температурах, вплоть до комнатной. При термической обработке процессы на границе усложняются, процессы диффузии усиливаются. В арсенидга-лиевых структурах (как и на других полупроводниках с преимущественно ковалентным типом связи) имеет место стабилизация уровня Ферми: высота потенциального барьера практически не зависит от работы выхода металла, состава и свойств контактного слоя. Это явление обусловлено наличием на границе высокой плотности поверхностных электронных состояний(ПЭС) 1013 - 1014 см-2·эВ-1 [1, 2].Так, для системы, содержащей Pd, начиная с 150 °С образуются соединения PdAs2, Pd2Ga и PdGa. В образцах, отожженных при температурах ≥ 400 °С, весь палладий переходит в связанное состояние, образуя устойчивую фазу PdGa. Термообработка при 600 °С сопровождается разложением GaAs и испарением мышьяка с поверхности системы [3].Появление новых фаз не приводит к существенным изменениям вольт-амперной характеристики при комнатной температуре. Основные параметры ВАХ (Фb, n) сохраняются до 450 - 500 °С. Некоторое изменение Фb (в пределах 0,2 эВ), связано, по всей видимости, с перестройкой системы амфотерных собственных дефектов [1, 2].В области низких температур 77 - 150 К после термообработки произошло существенное изменение прямой ветви. Практически после любой температуры отжига появляются низкотемпературные избыточные токи (НИТ) (ВАХ приобретает вид ступеньки). Причем величина этих токов увеличивается по мере роста температуры отжига.Используя в качестве контактов не чистые металлы, а их сплавы, изменяя тем самым атомную и электронную структуру одного из компонентов, можно согласовать коэффициент линейного термического расширения контактирующих металла и полупровод-121ника (уменьшая величину механических напряжений в структурах). В связи с этим были выполнены исследования структур, у которых в качестве барьерообра-зующего металла использовалось многокомпонентное покрытие - сплав Pd+Ni+W [4]. Существенных отличий в межфазных взаимодействиях для данной системы не обнаружено. Особенностью контактов (Pd+Ni+W) - GaAs является существование определенного соотношения количеств палладия, никеля и вольфрама в сплаве, для которого параметр идеальности прямой ветви ВАХ остается близким к единице вплоть до 77 К. Удалось частично, а в некоторых случаях полностью, устранить (управляемо) НИТ на прямой ветви ВАХ в свежеприготовленных контактах. Поскольку устранить низкотемпературные аномалии удалось путем целенаправленного согласования коэффициентов термического линейного расширения металла и полупроводника, имеет смысл говорить о существенном влиянии механических напряжений на механизм прохождения носителей заряда при низких температурах.В практических разработках для создания структур с барьером Шоттки с повышенной надежностью применяются многослойные металлизации, в которых роль барьерообразующих покрытий играют тугоплавкие переходные металлы и соединения, инертные по отношению к GaAs. В связи с этим исследовались такие системы, как Аи - Щ Аи - Мо - Щ Al - LaB6, Al - TiB2.Наиболее интересной системой является Al - LaB6 -- GaAs [5]. Профили концентраций элементов в структурах представлены на рис. 1.20 60 100 140 20 60 100 t, минРис. 1. Профили распределения концентраций элементов при послойном оже-анализе контактов Al - LaB6 - GaAs. Температура отжига, °С: а - 20; б - 400; в - 500; г - 600122После отжига при температурах 100 - 600 °С, продуктов межфазного взаимодействия не обнаружено, хотя идут процессы взаимной диффузии компонентов. Важно отметить, что поверхность раздела GaAs с контактным слоем при этом остается гладкой, без выраженного микрорельефа.Отличительной особенностью электрических характеристик контактов Al - LaB6 - GaAs, прошедших отжиг, является отсутствие заметных низкотемпературных избыточных токов. Термостабильность параметров таких контактов обусловлена отсутствием структурно-фазовых неоднородностей. Возможно также снижение механических напряжений в системе за счет образования гетероперехода AlGaAs - GaAs.Таким образом, на этом этапе исследований было показано, что любые взаимодействия металла с полупроводником, приводящие к формированию локальных структурно-фазовых неоднородностей на межфазной границе, ответственны за искажения электрических характеристик приборов с барьером Шоттки.ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙИ ОБЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИБАРЬЕРОВ ШОТТКИДальнейшие исследования были направлены на изучение влияния механических напряжений и дефектов структуры (дислокации и дефекты вакансионного типа) на изменения электрических параметров «свежеприготовленной» системы металл - полупроводник и контактов, подвергнутых различным внешним воздействиям.Исследования показали, что при электроосаждении металлов на арсенид галлия при комнатной температуре на межфазной границе развиваются механические напряжения, релаксация которых приводит к увеличению плотности дислокаций в приконтактном слое GaAs. Одновременно в этой области увеличивается концентрация дефектов вакансионного типа. Под влиянием термического отжига при 200 - 600 °С, когда происходит дальнейшее фазообразование, в при-контактной области арсенида галлия имеет место перестройка дефектов структуры: изменение плотности дислокаций, объединение позитронно-чувствитель-ных дефектов в сложные комплексы. В контактном слое развиваются структурно-фазовые неоднородности, которые играют роль концентраторов механических напряжений. Минимальные напряжения в не-термообработанных образцах наблюдаются в системе Pd - (Pd+Ni+W) - GaAs. Следовательно, подбором соотношения компонентов в сплаве удается снизить механические напряжения на границе металл - полупроводник.В экспериментах, проведенных выше, изменение величины механических напряжений осуществлялась лишь заменой типа металла контакта, т.е. фактически было неконтролируемым. Поэтому далее, с целью моделирования неоднородно распределенных напряжений под контактом, внешнее давление создавалась цилиндрическим индентером с диаметром, значительно меньшим диаметра контакта. Для выявления более жесткой корреляции между появлением аномалий на прямой ветви ВАХ и механическими напряжениями0,9 U, В(индуцированными внешним давлением), помимо основной структуры Ni - Pd - GaAs, выбирались образцы с различными величинами исходных механических напряжений и системой (плотностью) дефектов.0,3 AC/jfe) 0,5Исследования показали, что под действием неоднородного внешнего давления на прямой ветви ВАХ появляются избыточные токи, характер которых аналогичен аномальным токам после термообработки. Причем величина и ширина «ступеньки» в большинстве случаев коррелирует с величиной неоднородного давления. Типичный вид ВАХ при индентировании показан на рис. 2.Рис. 2. Температурная зависимость прямой ветви ВАХ структуры Ni - Pd - GaAs при индентировании в центр контакта. Температура окружающей среды Т, К: 1 - 302; 2 - 280; 3 - 260; 4 - 240; 5 - 220; 6 - 205; 7 - 183; 8 - 165; 9 - 143; 10 - 121; 11 - 99; 12(A) - 77. Диаметр индентера 200 мкм, величина нагрузки на индентер постоянная; А - расчетная ВАХ для данных параметров контактаИтак, наличие дефектов структуры в области объемного заряда существенно влияет на электрические свойства контакта металл - полупроводник.Наиболее простым способом введения дефектов является облучение полупроводниковых кристаллов высокоэнергетическими частицами. Изменяя условия облучения, тип и энергию падающих на кристалл частиц, можно в достаточно широких пределах влиять на характер и распределение возникающих дефектов и изменять свойства материала. В большинстве экспериментальных работ барьер Шоттки используетсялишь как наиболее удобный и информативный инструмент для определения параметров глубоких уровней, связанных с дефектами. Изучению же механизмов переноса носителей заряда в поверхностно-барьерных структурах после введения, например, системы глубоких уровней посвящено весьма ограниченное количество работ. В дальнейших экспериментах радиационные дефекты (и связанная с ними система глубоких уровней) создавались облучением кристаллов высокоэнергетическими электронами и ионами кислорода. Выбор кислорода обусловлен тем, что он является одной из основных фоновых примесей в GaAs. Влиянием кислорода объясняют в ряде случаев деградацию приборов при технологических отжигах.Энергетические положения глубоких уровней, определенные по изменению емкости и измерению термостимулированных токов (ТСТ), во всех случаях хорошо согласуются с литературными данными (таблица).Анализ ВАХ диодов при комнатной температуре (и выше, до 325 К) после облучения показывает, что прямая ветвь для всех исследуемых структур практически не изменяет общего вида (для напряжений смещения < 0,4 В). Коэффициент идеальности остается меньшим 1,1 для всех доз облучения.Ранее нами было показано [6], что высота потенциального барьера исходных структур удовлетворяет соотношению:Фь(111)А Rfs, температура в канале Тк и его удельная проводимость рк не отличаются от значений соответствующих параметров Т и р нарушенной области контакта. Учитывая, что в контакте может присутствовать несколько участков с пониженной высотой барьера, получаем следующее выражение для прямой ветви ВАХ:■е-(АФК.ехр/ = /ткТ1 + ЈМк,ехр(-*■(9)ФькТЗдесь ASK. = SK. /S, ДФК. = Фьо Фк, = Фк,о - АФ, где Фк, SKp RKiIt = AST1 expexp^-jexp^--j.АФ,Фь.Фкп, Фь- параметры г-канала.Нарушенная областьПолупроводникРис. 7. Контактная структура металл - полупроводник, содержащая нарушенную область в приповерхностной области полупроводника с параболическим изменением Фьк в канале I: 10 - основной ток через контакт; 1К. - составляющие тока в канале I, соответствующие различным Фьк. (с шириной ОПЗ 1Ґщ) и SKj; II - второй канал0,9 U, ВНа рис. 8 представлен один из результатов расчета ВАХ согласно модели. При расчете значение RK определялось по выражению (1), число каналов принималось равным 1, а в качестве параметров канала (RK, SK, Фк) использовались значения, определенные из экспериментального графика, изображенного на рис. 2. Можно видеть хорошее соответствие экспериментальных и расчетных кривых. Путем вариации числа и параметров каналов, участвующих в протекании избыточных токов, возможно моделирование практически любого вида прямой ветви ВАХ.Рис. 8. Прямые ветви ВАХ контактов, рассчитанные с учетом наличия канала, в зависимости от температуры окружающей среды. Температура, К: кр. 1 - 300; кр. 2 - 260; кр. 3 - 220; кр. 4 - 200; кр. 5 - 180; кр. 6 - 160; кр. 7 - 140; кр. 8 - 120; кр. 9 - 100; кр. 10 - 80. Исходные параметры контактной структуры: d0 = 2T0 см (5=3,1-10 см); Фь = 0,87 эВ; R6 = 10 Ом. Параметры канала: dK = 3,6-10 7 см (SK = 1-10 13 см2); ФЬк = 0,52 эВ; п = 3-Ю16 см 3; ц (100 К) =:3-104см7(В-с)127Предположим, что в нарушенной области находится канал, вид которого изображен на рис. 7 (I). С ростом напряжения смещения величина тока через локальную область определяется площадью, в сечении имеющей вид кольца (рис. 6):SKj =nAR[2RK+(2i-l)AR],где AR - ширина кольца (разность радиусов i- и z'+l-окружностей).Задаваясь определенными значениями для числа сечений (~10 -^ 100) и AR, а также некоторой функциональной зависимостью между SK. и Фк. с ростом номера сечений (например, экспоненциальной), можно рассчитать ВАХ структуры, используя выражения (1), (8), (9). Расчеты свидетельствуют о хорошем соответствии экспериментальных и расчетных кривых (для того, чтобы описать ВАХ, изображенную на рис.2, достаточно использовать восемь соответствующих значений Фк, RK. и SK). Причем, исходя из вышеизложенных предположений, для описания поведения прямых ветвей ВАХ достаточно одной нарушенной области под контактом, важно лишь, какую форму имеет граница ОПЗ в этой области: если 8-образный вид (рис. 7, II), то избыточные токи обусловлены одним каналом, если «воронкообразный» (рис. 7, I), то по мере увеличения напряжения смещения плавно растет SK, уменьшается RK и увеличивается Фк, что равносильно подключению и-го количества каналов. По всей видимости, в структуре, ВАХ которой изображена на рис. 2, реализуется именно такой случай.ВЫВОДЫНа основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.Появление новых фаз на межфазной границе само по себе не приводит к изменению электрических характеристик, измеряемых при комнатной температуре. Некоторое изменение Фь обусловлено изменением системы собственных дефектов структуры и связанных с ними поверхностных электронных состояний, закрепляющих уровень Ферми на поверхности в пределах энергии (Еу+ 0,5) - (Ег+ 0,7) эВ.Заметную роль в появлении НИТ играют механические напряжения в контактах, а также локальные структурно-фазовые неоднородности на межфазной границе.Найдена контактная система Al - LaB6 - GaAs, стабильная в широком диапазоне температур отжига и измерений.Установлено, что облучение высокоэнергетическими частицами снимает анизотропию высоты потенциального барьера по отношению к главным кристаллографическим плоскостям.Введение в ОПЗ структур с барьером Шоттки неоднородно распределенных кислородосодержащих комплексов, инициирующих глубокие уровни в запрещенной зоне GaAs, способствует появлению избыточных генерационных и рекомбинационных токов, ответственных за деградацию ВАХ.Проведен анализ механизма тензочувствительно-сти структур с барьером Шоттки при всестороннем, одноосном, неоднородном давлениях в широком диапазоне температур, а также при различных механизмах переноса носителей заряда. Показано, что тензо-чувствительность тока диодов с барьером Шоттки на невырожденном GaAs при гидростатическом, одноосном и импульсном давлениях обусловлена изменением ширины запрещенной зоны GaAs. Равенство барических коэффициентов высоты потенциального барьера и ширины запрещенной зоны GaAs свидетельствует о связи поверхностных электронных состояний, определяющих стабилизацию уровня Ферми на поверхности GaAs, с валентной зоной.Показано, что введение глубоких уровней, связанных с облучением электронами и имплантацией ионов кислорода, меняет характер зависимости коэффициента тензочувствительности от напряжения смещения. Получены аналитические выражения, описывающие данные зависимости.Установлено, что модель, учитывающая наличие локальных участков (каналов) с пониженной высотой барьера и электрофизическими параметрами, отличающимися от объемных, позволяет количественно описать низкотемпературные избыточные токи в структурах Шоттки с повышенной плотностью дефектов.

Скачать электронную версию публикации