Закономерности формирования и физические свойства структур металл-полупроводник и гетероструктур на основе широкозонных полупроводников

2
Содержание
Введение...........................................................6
I. Электрофизические свойства контактов металл-арсенид
галлия........................................................19
1.1. Энергетическая диаграмма контакта металл-арсенид галлия.......19
1.2. Явления переноса на контакте металл-арсенид галлия............26
1.3. Электрофизические свойства омических контактов к арсениду галлия........................................................36
1.3.1. Требования к омическим контактам и контактным материалам ...................................................... 36
1.3.2. Методика исследования удельных переходных сопротивлений омических контактов......................................43
1.3.3. Технология получения и электрофизические свойства омических контактов к арсениду галлия..........................52
Выводы.............................................................67
II. Электрофизические и отражающие свойства контактов металл-фосфид галлия.................................................69
2.1. Энергетическая диаграмма и явления переноса на контакте металл-фосфид галлия............................................69
2.2. Расчет удельных переходных сопротивлений контактов металл-фосфид галлия.................................................84
2.3. Электрофизические свойства омических контактов к фосфиду галлия........................................................88
2.3.1. Технология нанесения контактов и выбор контактных материалов .................................................... 88
2.3.2. Омические контакты к фосфиду галлия электронного типа проводимости ...............................................96
3
- однослойные контакты...................................96
- многослойные контакты...................................107
2.3.3. Омические контакты к фосфиду галлия дырочного тина проводимости...................................................108
2.3.4. Обсуждение результатов исследований......................112
2.3.5. Исследование омических контактов на светодиодах..........115
2.3.6. Электрические свойства омических контактов...............116
2.3.7. Стабильность свойств контактов к фосфиду галлия..........118
2.3.8. Влияние радиации на сопротивления омических контактов............................................................120
2.4. Отражающие свойства омических контактов к фосфиду галлия 121
2.4.1. Методика исследования отражающей способности контактов ....................................................... 124
2.4.2. Отражающая способность систем:.........................127
1) Омические контакты....................................127
2) Металлические покрытия................................128
3) Система Ме - БЮ2 - СаР................................132
2.4.3. Конструкции светодиодов с отражающими покрытиями 133
2.4.4. Стабильность отражающей способности контактов..........139
Выводы.............................................................140
III. Электрофизические свойства металлических контактов к
карбиду кремния и твердым растворам на его основе...............143
3.1. Энергетическая диаграмма контакта металл-карбид кремния........143
3.2. Омические контакты к карбиду кремния...........................151
1) однокомпонентные контакты..................................152
2) многокомпонентные контакты.................................156
3.3. Омические контакты к твердым растворам (81С)1_Х{ЛШ)Х...........163
3.4. Стабильность свойств омических контактов.......................168
4
3.5. Отражающая способность металлических контактов к карбиду кремния.......................................................171
3.6. Общие закономерности формирования омических контактов к широкозонным полупроводникам..................................174
Выводы...........................................................183
IV. Механизм формирования контактов металл-оксид цинка и
их электрофизические свойства.................................186
4.1. Формирование выпрямляющих контактов металл-оксид цинка 186
4.2. Пробой поверхностно-барьерных структур.......................197
4.3. Влияние влажности окружающей среды на свойстве выпрямляющего контакта..............................................199
4.4. Механизм образования омического контакта и его свойства......201
Выводы............................................................206
V. Закономерности образования и физические свойства гетероструктур на основе широкозонных полупроводников.............208
5.1. Получение и свойства гетероструктуры nGaP - ZnO..............209
5.2. Электрические и фотоэлектрические свойства гетероструктуры
nGe-ZnO.......................................................216
5.3. Свойства гетероструктур на основе кремния и оксида цинка.....227
5.4. Некоторые свойства структуры GdS - ZnO.......................236
5.5. Энергетическая зонная диаграмма гетероструктуры
SiC-{SiC),_x{AM\..............................................242
VI. Общие выводы..................................................253
VII. Список литерату ры...........................................258
VIII. Условные обозначения и сокращения...........................281
IX. Приложение....................................................284
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Научно-технический прогресс в полупроводниковой электронике и технике, долгое время определявшийся результатами всесторонних исследований элементарных полупроводников - германия и кремния, приборов на их основе, а также успешным решением большого круга функциональных и технологических задач, в свою очередь, послужил мощным толчком к поиску новых перспективных материалов и структур с новыми свойствами и возможностями применения их в микроэлектронике. Получение этих материалов и структур на их базе основывается на детальном исследовании и интерпретации их свойств. Особый интерес в этом отношении представляют широкозонные полупроводники на основе соединений АШВ\ АПВИ и другие. Большие значения ширины запрещенной зоны, высокие подвижности носителей заряда, возможности получения материалов с хорошими изолирующими свойствами, благоприятные особенности зонной структуры, способность работать при высокой температуре и их большая радиационная устойчивость делают широкозонные полупроводники универсальными материалами, пригодными для применения в различных областях полупроводниковой электроники. Особенно большой интерес широкозонные полупроводники представляют в оптоэлектронике, так как они позволяют получать рекомбинационное излучение в видимой области спектра с приемлемой для практических целей эффективностью и изменять спектр излучения от инфракрасного до фиолетового света.
Изучение закономерностей формирования, физических свойств структур металл-полупроводник и гетеропереходов на основе широкозонных полупроводников представляет как практический интерес для применения их в микроэлектронике и оптоэлектропике, так и научную ценность, поскольку они способствуют разработке вопросов о природе и механизме формирования
6
омических и барьерных контактов на широкозонных полупроводниках, о характере процессов, протекающих в гетероструктурах.
Металлические контакты, являясь важными элементами структуры микроэлектронных и оптоэлектронных приборов, работающих на сравнительно больших уровнях мощности, определяют параметры, эффективность и надежность приборов, поэтому вопросы создания низкоомных, стабильных по характеристикам омических контактов имеют не меньшее значение при конструировании приборов, чем вопросы создания р-п переходов. Данных о систематических исследованиях омических контактов к широкозонным полупроводникам в зарубежной и отечественной литературе на сегодняшний день мало, хотя в связи с бурным развитием работ в области полупроводниковой техники, электронная промышленность предъявляет растущие требования к техническим параметрам металлических контактов и вследствие.этою такие исследования являются весьма актуальными. Увеличение степени интеграции, повышение мощности, расширение частотного диапазона полупроводниковых устройств, использование новых полупроводниковых материалов и активных слоев полупроводников субмикронных размеров, а также тенденция к отказу от применения благородных и дорогостоящих материалов предъявляют более высокие требования к технологии изготовления омических контактов.
В отличие от электронно-дырочных переходов, для которых к настоящему времени достаточно строго и полно разработана теория явлений, определяющих их свойства и электрофизические характеристики, теоретические представления о механизме прохождения тока через невыпрямляющий контакт в большинстве случаев недостаточно полны и не позволяют заранее рассчитывать характеристики контактов. Имеющиеся в литературе работы по омическим контактам к широкозонным полупроводникам носят чисто прикладной характер. Причиной такого положения, тем более странного, что невыпрямляющие контакты к полупроводникам широко использоватись еще за
7
несколько десятилетний до открытия и изготовления электронно-дырочною перехода, является многообразие явлений и факторов, определяющих свойства контактов, а также большие различия в способах их изготовления.
Наряду с общими требованиями к омическим контактам к конкретным приборам на основе широкозонных полупроводников предъявляются ряд специфических требований, связанных с особенностями работы прибора и его конструкцией. Это, например, для светодиодов - высокая отражающая способность тылового металлического контакта и малая его площадь на поверхности кристалла, с которой осуществляется вывод излучения. Приборы на основе широкозонных полупроводников работают при высоких температурах и больших плотностях тока, поэтому омические контакты к ним должны обладать стабильностью при высоких температурах.
К моменту постановки данной работы имеющиеся в литературе сведения о результатах исследования электрофизических свойств и установлению общих закономерностей процессов, происходящих на контакте металлов с широкозонными полупроводниками, такими как СаР^пО,А'С, носили чисто прикладной характер и давали информацию лишь о величине контактного сопротивления некоторых металлических контактов, изготовленных в определенных условиях.
Недостаточность систематических исследований электрофизических свойств контактов металлов с широкозонными полупроводниками, отсутствие данных по отражающим свойствам этих контактов и изменениям, происходящим на границе металл-широкозонный полупроводник в процессе формирования контакта, а также отсутствие теоретических расчетов основных характеристик контактов, затрудняли выяснение процессов формирования омических контактов, механизмов прохождения тока через них и не позволяли целеустремленно подходить к выбору контактных материалов с заданными свойствами и их конструкции.
8
Большой теоретический и практический интерес представляют также исследования гетероструктур на основе широкозонных полупроводников ОаАь,СаР,7,пО,57С с целью оценки возможностей их применения в функциональной электронике, оптоэлектронике, микроэлектронике. Такие исследования до настоящего времени не проводились, хотя значение их для выяснения механизма формирования омических контактов, создания "прозрачных" для оптического излучения невыпрямляющих металлических покрытий к полупроводникам очень велико. Особый интерес в последнее время во всем мире вызывают исследования высокотемпературных, радиационноустойчивых материалов, таких как карбид кремния и твердые растворы на его основе.
Таким образом, вопросы комплексного исследования влияния технологических процессов формирования на электрофизические, оптические и другие свойства структур металл-полупроводник и гетероструктур на основе широкозонных полупроводников представляются весьма актуальными и перспективными в электронной технике.
Диссертационная работа посвящена проблеме создания омических контактов к широкозонным полупроводникам - арсениду и фосфиду галлия, оксиду цинка, карбиду кремния и твердым растворам на его основе, изучению связи электрофизических, структурных свойств этих контактов, связанных с особенностями технологии их изготовления, исследованиям механизмов формирования омических контактов к широкозонным полупроводникам. Помимо практического интереса, решение этих проблем может служить развитию теоретических представлений о закономерностях формирования структур металл-полупроводник и гетероструктур на основе широкозонных полупроводников.
В работе реализованы различные традиционные технологические режимы нанесения металлических контактов к широкозонным полупроводникам: вакуумное напыление, электролитическое и химическое осаждение, вплавле-ние. Изучена зависимость электрофизических, структурных свойств большо-
9
го количества металлов и их сплавов от технологических режимов создания контакта металл-полупроводник.
На основе исследований электрофизических свойств контактов выяснен механизм формирования поверхностно-барьерных структур на контактах металлов с арсеиидом галлия, фосфидом галлия, карбидом кремния, оксидом цинка, установлены закономерности, наблюдаемые при этих процессах.
Полученные омические контакты испытаны на светодиодах. С целью увеличения внешнего квантового выхода светодиодов, проведены исследования отражающих свойств металлических покрытий и омических контактов к фосфиду галлия и карбиду кремния.
Проведены исследования по отработке технологии получения и изучению свойств гетероструктур на основе широкозонных полупроводниковых соединений СаР,1пО,31С,СаЛ8, изучены процессы, происходящие на контакте гстеросгруктур, оценены возможности создания широкозонного "окна" и прозрачного омического контакта на базе оксида цинка к Ge,Si,GaЛs,GaP.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка оптимальных технологических режимов создания низкоомных омических контактов к арсениду и фосфиду галиия, карбиду кремния, оксиду цинка и изучение закономерностей формирования омических контактов к широкозонным полупроводникам. Для достижения этой цели необходимо было решение следующих задач:
1. Установление механизма формирования поверхностно-барьерных структур на арсенидс галия, фосфиде галлия, карбиде кремния, оксиде цинка. Расчет высоты энергетического барьера контактов металлов с указанными полупроводниками, их контактных сопротивлений в зависимости от изменения параметров металла и полупроводника.
2. Отработка оптимальных технологических режимов получения омических контактов из различных металлов к С а Аз, СаР, 5/С, 2п0 и выбор наибо-
10
лес оптимальных контактных систем для создания омических контактов к этим полупроводникам.
3. Исследование электрофизических, структурных, металлографических свойств омических контактов к СаЛБ, СаР,£/С,2пО с целью выяснения природы омических контактов к широкозонным полупроводникам, механизма прохождения тока через них.
4. Изучение зависимости свойств омических контактов от параметров металла и полупроводника, изменения контактных характеристик в зависимости от режимов термообработки, температуры окружающей среды и условий работы прибора.
5. Испытание омических контактов к широкозонным полупроводникам на светодиодах, исследование стабильности их характеристик при работе в различных условиях.
6. Исследование отражающих свойств металлических покрытий и омических контактов к широкозонным полупроводникам и изучение влияния их на внешний квантовый выход светодиодов.
7. Получение гетероструктур на основе широкозонных полупроводников СаР, 1пО, &'С, исследования их электрических, фотоэлектрических и люминесцентных свойств, оценка возможностей их применения в оптоэлектронике и электронной технике.
8. На основе комплексных исследований зависимости электрофизических, структурных, оптических свойств контактных структур от технологических процессов и условий работы в различных режимах выяснение механизма формирования омических контактов к широкозонным полупроводникам, характера и энергетической диаграммы гетероструктур на основе йаР ,'/пО ,5/С\
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-проведены комплексные технологические, электрофизические, структурные исследования однослойных и многослойных металлических контакт-
11
ных систем на основе различных металлов к широкозонным полупроводни-кам GaAs, GaP, SiC, ZnO, (SiC),_x (AIN)X.
-установлено, что зависимость удельного переходного контактного сопротивления от температуры термообработки имеет явно выраженные минимумы для большинства контактных систем.
- определены оптимальные режимы формирования омических контактов к широкозонным полупроводникам GaAs,GaP,SiC,ZnO, изготовленных методами вплавления, вакуумного напыления, электролитического и химического осаждения для различных контактных материалов.
-установлен механизм формирования выпрямляющих и омических контактов к широкозонным полупроводникам GaAs,GaP,SiC,ZnO, и показан характер прохождения тока через данные контактные системы.
- проведены измерения отражающей способности металлических пленок и омических контактов к фосфиду галлия и карбиду кремния, изучено влияние отражающей способности контактов на квантовую эффективность светодиодов. Предложены комбинированные контакты с улучшенной отражающей способностью к светодиодам из фосфида галлия и карбида кремния.
-исследована стабильность работы омических контактов при различных рабочих режимах тока, при высоких температурах, а также их радиационная устойчивость.
- проведены систематические исследования гетероструктур nGe - ZnO, nSi - ZnO, nGaP - ZnO, CdS - ZnO, SiC - (SiC)}_x ( AIN)x. Установлено, что структуры с элементарными полупроводниками обнаруживают фотовольтаические свойства, гетероструктуры CdS - ZnO их не обнаруживают несмотря на значительную фоточувствительность, а система СаР - ZnO наряду с фоточувствительностью обладает и электролюминесценцией;
-установлена внутренняя структура системы СаР - ZnO, определяющая ее свойства. Анализирован механизм переноса тока через гетероструктуру (SiC)-(SiC)I_x(AlN)x. На основе проведенных исследований, используя па-
12
раметры полупроводников, построены зонные энергетические диаграммы соответствующих гетеропереходов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Механизм формирования поверхностно-барьерных структур на широкозонных полупроводниках ОгР и 5/С, основанный на определяющей роли влияния поверхностных состояний полупроводников.
2. Механизм формирования поверхностно-барьерных структур на оксиде цинка, основанный на определяющей роли адсорбции кислорода на поверхности 7п0. Способы создания выпрямляющих контактов Ме-2п0 и датчиков влажности на их основе.
3. Зависимость удельных переходных сопротивлений омических контактов от температуры последующей термообработки контактной системы. Физическое обоснование механизма этого явления.
4. Технологические режимы изготовления, механизм образования, структура омических контактов к широкозонным полупроводникам СоАб, СаР, 5/С, 7пО и харак тер прохождения тока через них.
5. Отражающие свойства металлических пленок и омических контактов к фосфиду галлия и карбиду кремния. Светодиод с отражающими контактами.
6. Вопросы деградации и стабильности омических контактов в различных режимах и условиях работы.
7. Результаты исследования электрических и фотоэлектрических свойств гетероструктур пСаР - ХпО и 0/5Физическое обоснование свойств этих гетероструктур на основе формирования в процессе осаждения 2пО р - п перехода в (}аР и компенсированного слоя в 0/5.
8. Зависимость свойств гстсроструктур Се-7пО,81-2пО от типов и параметров подложек и технологии их создания. Установление физической природы гетероструктур и оценка перспектив их использования в оптоэлектронике.
13
9. Инжекционный механизм электролюминесценции варизонных гетероструктур п SiC - p(SiC)j_x {AIN)X, их характеристики и энергетическая зонная диаграмма гетероструктуры.
Практическая ценность полученных результатов опростеляется следующим:
-Выработаны рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов создания однослойных, многослойных, низкотемпературных и высокотемпературных омических контактов на основе различных металлов к широкозонным полупроводникам GaAs,GaP,SiC,ZnO,{SiC)I_x{AlN)x с различной концентрацией носителей зарядов.
- Созданы выпрямляющие контакты типа барьеров Шотгки с параметром Р, близкому к идеальному к широкозонным полупроводниковым соединениям GaP и SiC.
-Результаты исследований отражающих свойств металлических покрытий и омических контактов к GaP и SiC показали, что при надлежащем выборе контактных материалов и их конструкции вывод излучения из кристалла может быть увеличен в 1,4-1,8 раза. Разработанные контактные системы с высокой отражающей способностью к светодиодам из фосфида галлия прошли успешные промышленные испытания.
-Технология изготовления контактов с барьером Шотгки внедрена в производство, а метод измерения отражающей способности контактов металл-полупроводник передан в производство для использования при измерении коэффициентов отражения контактов.
- На основе результатов исследований свойств контактов Me - ZnO предложен способ создания датчика влажности (АС №3456506 "Датчик влажности").
- Предложены и изготовлены фотодиоды и светодиоды на основе гетеро-структур из широкозонных полупроводниковых соединений.
14
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзном совещании по электрическим и оптическим свойствам широкозонных полупроводников (Киев, V, 1975 г.), на Всесоюзных конференциях "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки" (Киев, 1975 г., 1980 г.), на XXVIII и XXXIX научных конференциях молодых ученых и специалистов Московского института стали и сплавов "Проблема качества металлов и сплавов" (Москва, 1974, 1975), на VIII Внутри вузовской научно-технической конференции по проблемам микроэлектроники Московского института электронной техники, (Москва, I, 1976 г.), на Республиканском симпозиуме по физическим свойствам сложных полупроводников (Баку, 1978 г.) , на Всесоюзной школе-семинаре по физике поверхности полупроводников (Ленинград, Петродворец, 11-20 сентября 1979 г.), на научно-практических конференциях молодых ученых Дагестана, "Молодежь и общественный прогресс" (Махачкала, 1979 и 1981 гг.), на Всесоюзных совещаниях по терморегулирующим покрытиям (Махачката, 1979, 1981 ), на 11 Республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Одесса, 1982), на V Всесоюзном совещании "Физика и техническое применение полупроводников
А11 Ву (Вильнюс, XII, 1983), на XII научно-технической конференции, посвященной вопросам качества (Нальчик, 1980), научной сессии Дагестанского филиала АН СССР (Махачкала, 1985), III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников (Махачкала, 1986), 4 Всероссийском совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1993), 23-ем международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, XI, 1996).
Они докладывались также на специализированных семинарах кафедры полупроводниковой электроники Московского института стали и сплавов, НИИ "Пульсар" (г. Москва), кафедры экспериментальной теоретической физики ДГУ (Махачкала), Московского института электронной техники (МИЭТ, Зеленоград), конференциях молодых ученых Дагестанского филиала АП
15
СССР (Махачкала, 1980, 1984 гг.), итоговых научных конференциях ДГУ (Махачкала, 1976-1998 гг.).
Публикации. Материалы по диссертационной работе автором опубликованы в 54 работах в центральной и республиканской печати, 21 тезисах докладов и выступлений на научных конференциях и семинарах. Приоритет разработок подтвержден авторским свидетельством.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 265 названий, включая работы автора. Объем диссертации составляет 285 страниц, включая 134 рисунков и 23 таблиц.
16
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи работы, сформированы научная новизна, защищаемые положения и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе на основе имеющихся литературных данных анализирована общая физическая модель и энергетическая диаграмма контакта ме-галл-арсенид галлия. Показано, что высота потенциального барьера на контакте мсталл-арсенид галлия определяется в основном влиянием поверхностных состояний полупроводника.
Показано, что экспериментальные результаты по физическим явлениям на контакте металл-полупроводник при низких концентрациях носителей заряда в полупроводнике хорошо объясняются в рамках теории термоэлектронной эмиссии. Проанализированы механизмы переноса тока в контакте металл-полупроводник при разных концентрациях носителей заряда в арсениде галлия и рассмотрены выражения контактных сопротивлений для разных механизмов переноса носителей заряда в контакте.
Рассмотрены требования к омическим контактам для полупроводников и основные типы невыпрямляющих контактов к широкозонным полупроводникам.
Проанализирована методика измерения удельного переходного сопротивления омических контактов и предложен новый метод измерения удельного переходного сопротивления к тонким полупроводниковым пленкам с неоднородным распределением примеси в приповерхностном слое.
Приведены технологические методы создания металлических контактов к арсениду галия, рассмотрены процессы, происходящие в переходном слое контакта металл-арсенид галлия и даны результаты электрофизических свойств омических контактов из различных металлов и сплавов к арсениду галлия электронного и дырочного типов проводимости.
17
Во второй главе проанализирована энергетическая диаграмма контакта металл-фосфид галлия и рассмотрены механизмы переноса тока через данный контакт. Основываясь на общей теории переноса носителей заряда и полученных из него выражениях для расчета удельного сопротивления барьеров металл-полупроводник, проведен расчет зависимости контактного сопротивления систем металл-фосфид галлия от высоты барьера, концентрации легирующей примеси и температуры. Приведены результаты экспериментальных исследований по отработке технологии изготовления низкоомных омических контактов к фосфиду галлия электронного и дырочного типов проводимости и результаты исследований их электрофизических, металлографических и структурных свойств. Результаты исследований проверены путем испытания созданных контактных систем на светодиодах из фосфида галлия. Исследована стабильность работы контактных систем в режиме рабочих токов, высокотемпературных условий работы и при воздействии различных радиационных облучений.
Даны результаты исследования отражающих свойств контактов различных металлических покрытий к фосфиду галлия. Приведены значения измеренных коэффициентов отражения омических контактов к фосфиду галлия и изменение отражающих свойств контактов в зависимости от термообработки при различных температурах. Даны результаты испытаний полученных контактных систем на светодиодах из фосфида галлия, разработаны конструкции светодиодов с отражающими контактными системами и сопоставлены их характеристики с параметрами светодиодов изготовленных по заводской технологии.
В третьей главе приведены результаты исследования электрофизических свойств металлических контактов к карбиду кремния и твердым растворам на его основе. Изучена энергетическая диаграмма и рассмотрены явления, происходящие при образовании новерхностно-барьсрных структур на карбиде кремния. Даны технологические условия образования омических контактов к карбиду кремния и твердым растворам (5/С)/_х(^/А^)д.. Изучены свойства этих контактов и стабильность их работы в различных режимах и условиях. Прове-
18
дены исследования отражающих свойств контактных систем металл-карбид кремния. Проанализированы результаты исследований по получению и свойствам омических контактов к СяР, 5/С и выведены общие закономерности
формирования омических контактов к широкозонным полупроводникам.
В четвертой главе приведены результаты исследования поверхностнобарьерных свойств прижимных и напыленных контактов из Р/, Р(1, ИС1УС, Мо, А%, Аи, М, А1,5/?, 1п, 1п - М(3%) с поверхностью оксида цинка. Рассмотрены закономерности формирования выпрямляющих и омических контактов в системе Ме-2пО> оценены возможности изготовления приборов с использованием свойств поверхностно-барьерных структур. Исследованиями влияния технологических условий получения систем Ме - 2пО на их свойства и изучением явлений переноса тока через поверхностный барьер определены условия формирования металлических контактов к 2пО, обладающих линейными и нелинейными характеристиками. На основе результатов исследования зависимости высоты поверхностного барьера контакта и величины его дифференциального сопротивления от влажности окружающей среды предложен датчик влажности.
В пятой главе рассмотрены вопросы но технологии изготовления и исследования различных свойств гетероструктур Ое~ 2пО,^*М - 2п0, СаР - 1пО, СУ5 - 2п0, АС - (АС),_, (Ш)х. На основе исследований вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик, изучения фотоэлектрических свойств и анализа их результатов построены энергетические зонные диаграммы гетероструктур, рассмотрены их специфические свойства. Показана взаимосвязь физических свойств гетероструктур и условий их получения. Рассмотрены вопросы перспективности технического применения данных гетероструктур в качестве диодов, источников света, фотодиодов, и других приборов электронной техники.
19
I. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ-АРСЕНИД ГАЛЛИЯ
1.1. Энергетическая диаграмма контакта металл-арсенид галлия
При непосредственном контакте металла с полупроводником уровни Ферми обоих материалов должны выровняться, что соответствует состоянию их термодинамического равновесия. Известно [1-7], что при этом контакт металл-полупроводник может быть как выпрямляющим, когда на границе раздела проявляется потенциальный барьер для носителей тока, так и омическим, когда такого барьера нет или через него легко проходят носители тока. При отсутствии поверхностных состояний на полупроводнике высота барьера для идеального контакта металла с полупроводником определяется работой выхода электрона из металла и сродством полупроводника к электрону [1].
В случае контакта металла с полупроводником «-типа проводимости электроны переходят из полупроводника в металл и заряжают его отрицательно. В полупроводнике же остается положительный заряд нескомпенсиро-ванных доноров, образующих область пространственного заряда шириной
В приповерхностной области полупроводника возникает электрическое поле: на энергетической диаграмме появляется параболический изгиб энергетических зон (рис.1). Максимальная напряженность электрического поля в области пространственного заряда составляет:
Ф/> Фт *
(1)
(2)
(3)
20
Рис. 1. Энергетическая схема контакта металл-полупроводник в модели Шоттки
ф £. -Л X -Ф&а* Ф- Ф«=Фгг/£ .... —. ' Ф^
Ер • У 4 Ер • • 1
а) Еу > <г)
Рис. 2. Энергетическая диаграмма контакта металл-полупроводник п _ типа (модель Шоттки) а)фт > фЛ б) фт < фд-.
21
Согласно простой модели Шоттки форма потенциального барьера определяется однородно распределенным пространственным зарядом ионизированных примесей и описывается с помощью уравнения (рис. 1)
ф {х) = я2пх2 /2г$г0 (4)
О < х< IV
В случае полупроводника п -типа контакт является выпрямляющим, если Фт >Х* и невыпрямляющим при ф„г < х5 (рис.2). Значит, когда фот <х5 на фанице раздела отсутствует потенциальный барьер для основных носителей заряда, т.е. образуется омический контакт.
Экспериментальные данные показывают, что такой подход справедлив только для ионных полупроводников. В случае ковалентных полупроводников, к которым относится и арсенид галлия, высота барьера не зависит от работы выхода (или элекгроотрицательности) металла и составляет примерно 60-70% от ширины запрещенной зоны для полупроводников «-типа, что обусловлено высокой плотностью поверхностных состояний в таких полупроводниках. Сравним ожидаемую и реальную высоту барьера контакта металл-пОаАя [5,8] (табл.1). Экспериментальные данные для высоты барьера системы металл- пСаАя не объясняются закономерностями теории Шоттки.
Бардин [2] предположил, что на свободной поверхности полупроводника, еще до контакта с металлом, существуют поверхностные состояния, например уровни Тамма или уровни, обусловленные посторонними (адсорбированными) атомами. Электроны переходят из толщи полупроводника на поверхность, в приповерхностной области остается заряд нескомпенсированных доноров, и появляется электрическое поле.
В таком контакте в условиях равновесия уровень Ферми полупроводника должен снизиться по отношению к уровню Ферми металла на величину, равную контактному потенциалу. Если плотность поверхностных состояний достаточно велика для накопления в них дополнительного заряда, то величина пространственного заряда в полупроводнике остается неизменной. В резуль-
22
тате высота барьера будет определяться свойствами поверхности полупроводника и не будет зависеть от работы выхода металла.
Таблица 1
Ожидаемая и реальная высота потенциального барьера металл-пСаАь
Металл ф„>эВ Х*,эВ Ф т-г^эв ф„,эВ (эксперимент)
Рі 5,5 4,12 1,38 0,86
Ли 5,2 4,12 1,08 0,90
Си 4,59 4,12 0,47 0,82
^8 4,42 4,12 0,30 0,88
А1 4,18 4,12 0,06 0,80
щ 3,9 4,12 <0 0,72
Поверхностные состояния характеризуются некоторым уровнем нейтральности ф0. Если все поверхностные состояния, лежащие ниже этого уровня, заняты, а лежащие выше свободны, то поверхность в целом будет электрически нейтральной. Когда металл контактирует с такой поверхностью полупроводника, то заряды в металле Qm9 в полупроводнике ()5 и поверхностных состояниях (2С перераспределяются так, что
Сж + 0, + бс=0
При плотности поверхностных состояний, большей ~ 1012 см~2, уровень Ферми практически закреплен на уровне нейтральности, и при контакте с поверхностью металла этот уровень практически не меняет своего положения. Высота потенциального барьера фЛ на контакте полностью определяется энергетическим расположением поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника и не зависит от работы выхода электрона из металла.
23
С учетом влияния поверхностных состояний и различия работ выхода металла и полупроводника высота энергетического барьера металл-полупроводник определяется по соотношению [9]
Величина
§=* ^ (6)
ъ,ев+е80г
Соотношение (5) выведено на основании предположения, что между металлом и полупроводником имеется промежуточный тонкий оксидный слой толщиной б.
Экспериментальные данные по зависимости высоты барьеров контакта
(5)
Фь'А—
О 1р гр, 3,0 Ар 5,0
Рис.З. Зависимость высоты барьера системы Ме - СпА? от работы выхода электрона из металла [9].
1. теория Шотгки фЛ = ф,„ -Ц {11 = 4,07)
2. экспериментальная кривая
металл-арсенид галлия согласно данным работы [9] даны на рис.З и описываются эмпирическим соотношением
ф ь=0,07Цт+0,49. (7)
24
С учетом того, что для грани (110) ОаАй сродство к электрону составляет х = 4,07эВ [9], расчеты параметров из формулы (5) для контактной системы Ме - ОоАб следующие:
\ - 0,074
Фя = 0,53эВ
В$=1,25-10ы
см эВ
Тогда для арсенида галлия величина АЕ^ - = 0,91эВ. Эта величина
приблизительно соответствует высоте барьера контактов металл-арсенид галлия (габл. 1). Значит, высота энергетического барьера на контакте металл-арсенид галлия в основном определяется поверхностными состояниями расположенными в нижней части запрещенной зоны и для высоты барьера системы Ме-СаЛБ справедливо соотношение [10]
ф* Я‘1АЕ$'
В работах [11,12] при изучении электрического поля на свободной поверхности арсенида галлия методами поляризации отраженного света и энергетического спектра электронов, выбитых светом из полупроводника установлено, что на поверхности СаАъ, сколотого в вакууме, нет электрического ноля и уровень Ферми не закреплен в запрещенной зоне. После попадания на эту поверхность посторонних атомов, например кислорода или металлов, на поверхности создаются состояния, закрепляющие уровень Ферми на обычных для этих полупроводников положениях. Для этого необходимо менее одного монослоя посторонних атомов, причем дальнейший рост толщины слоя не приводит к изменению положения уровня Ферми. Поверхностные состояния связаны не с примесями, а с собственными дефектами, например, дефектами перестановки или комплексами с участием вакансий. Поэтому эти состояния располагаются в одном и том же одинаковом положении. Роль посторонних
25
атомов заключается в предоставлении необходимой энергии для образования собственных дефектов [13].
Согласно работам [14,15], причиной, вызывающей поверхностные состояния в арсениде галлия являются атомы А$ на поверхности. Поэтому высота потенциального барьера определяется величиной ф/{л_Ху Учитывая, что фАх=5,11эВ9 хСаА5 = 4,12эВ для высоты барьера получаем фь~0,9эВ. Она согласуется с экспериментальными данными.
Таким образом, контакт металлов с арсснидом галлия при нормальных условиях является выпрямляющим (рис.4) и для создания омического контакта необходимы специальные методы.
Рис. 4.Энергетическая диаграмма контакта металл-полупроводник п -типа в модели Бардина.
а) до контакта, б) после контакта, в) при отсутствии промежуточного слоя.
Помимо поверхностных состояний, на высоту потенциального барьера контактов металл-полупроводник оказывают влияние силы зеркального изображения. Высота потенциального барьера с учетом сил изображения может быть представлена в следующем виде:
Фа = Фло" Мб ?
где
АФа =
8пд7 N
[Ш
Ньо-и
кТ
(9)
26
Представим Дфл в виде суммы двух членов:
ДфА=Дф6(0)-6ф6((/) (10)
где Дф6(0) - понижение высоты барьера силами зеркального изображения в условиях термодинамического равновесия и 5фь(и) - изменение высоты барьера при подаче напряжения. С ростом положительного смещения Дф/; уменьшается, т.е. ДфА(^/) увеличивается, поэтому высота барьера при учете сил изображения ДфА увеличивается с ростом прямого напряжения на величину бф^^/), оставаясь меньше ф6а.
Величина понижения Дф6 пропорциональна расстоянию хт, на котором находится максимум напряженности электрического поля потенциального барьера от границы контакта металл-полупроводник [8].
Высота барьера на контакте металл-полупроводник зависит также от температуры окружающей среды. Эту зависимость можно выразить следующим соотношением
Ф*(г)=ф4(см:)-а*г (И)
Таким образом, проведенный анализ показывает, что высота потенциального барьера на контакте металл-арсенид галлия в большей степени определяется влиянием поверхностных состояний.
1.2. Явления переноса на контакте металл - арсенид галлия.
А) Вольт - амперные характеристики контактов.
Основываясь на общей теории переноса основных носителей заряда через контакт металл - полупроводник, в работах [16,17] получены выражения для расчета удельного переходного сопротивления контактов металл - полупроводник. . Для полупроводников п- и р- типов проводимости величина Яс зависит от температуры, высоты энергического барьера и концентрации