Размещено на http://www.allbest.ru/

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА

ФиЗические основы контактов МЕТАЛЛ- GaAs(GaP, InP), СФОРМИРОВАННЫХ ЧИСТЫМИ МЕТАЛЛАМИ И АМОРФНЫМИ ПЛЕНКАМИ TiB_x

01.04.10-Физика полупроводников

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

КАМАЛОВ АМАНГЕЛДИ БАЗАРБАЕВИЧ

ТАШКЕНТ 2011

Работа выполнена в Институте физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины и на кафедре Физики полупроводников Каракалпакского Госуниверситета имени Бердаха.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, проф. Исмаилов Канатбай Абдиреймович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, академик Муминов Рамизулла Абдуллаевич

доктор физико-математических наук, проф. Бахадырханов Мухаммадкабир Саидхонович

доктор физико-математических наук, проф. Дмитрук Николай Леонидович

Ведущая организация: Национальный университет Узбекистана

Защита состоится «______» ____________2011 г. в ________ часов на заседании Специализированного совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз по адресу: 100084, г. Ташкент, ул. Бодомзор йули 2б. Тел: (8-10-99871)- 233-12-71. Факс: (8-10-99871)-233-42-91. Е-mail: karimov@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз

Автореферат разослан «_______» ________________2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю Специализированного совета Д.015.08.01

Ученый секретарь

Специализированного совета Д.015.08.01

д.ф.-м.н., профессор Каримов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Полупроводниковые структуры на основе A³B⁵ являются основными модельными объектами для фундаментальных исследований в области физики полупроводников и широко используются для создания оптоэлектронных и микроволновых приборов. До настоящего времени остается проблемным получение структурно совершенных эпитаксиальных пленок соединений A³B⁵ для приборов микроволновой электроники. Основной причиной этого является высокий уровень остаточных механических напряжений в эпитаксиальных структурах, релаксация которых приводит к ранней деградации приборов при облучении гамма-квантами ⁶⁰Со, ультразвуком и воздействий термообработок. Поскольку большинство элементов современной твердотельной электроники представляет собой барьерные структуры, то одной из наиболее важных фундаментальных проблем физики полупроводниковых приборов является выяснение механизма повышения воспроизводимости и стабилизации параметров приборов с барьером Шоттки при внешних воздействиях (гамма-кванты ⁶⁰Со, СВЧ, термообработки).

Наличие такой информации позволило бы получить приборы на основе A³B⁵ с заданными параметрами и глубже понять особенности поведения полупроводниковых приборов в процессе внешних воздействий.

Степень изученности проблемы. Известны работы [1,2], по улучшению параметров структур с барьером Шоттки за счет быстрой термической обработки, а также возможные пути повышения их температурного диапазона до 400 С. Вместе с тем во многих работах, например в [3] при исследовании контактов Шоттки ограничились лишь получением низких значений контактного сопротивления. Однако физическая природа изменения контактного сопротивления при воздействии температуры нераскрыта. Также остаются малоизученными вопросы деградации параметров диодных структур на основе GaP и InP при термической обработке. Кроме того, несмотря на ожидаемые преимущества диодных структур на основе InP, благодаря его низким пороговым полям по сравнению с арсенидом галлия, существенного различия коэффициентов ионизации электронов и дырок, не решены вопросы создания к ним барьеров Шоттки с малыми механическими напряжениями на границе раздела металл-полупроводник. К настоящему времени также обнаружены факты повышения качества контактов барьеров Шоттки к полупроводникам А³В⁵ [4], но механизмы, обеспечивающие эти улучшения, остаются неизученными. Поэтому проведение комплексных исследований по выяснению механизмов повышения воспроизводимости и стабилизации параметров приборных структур с барьером Шоттки при внешних воздействиях, направленных на создание физических основ контактов металл- GaAs (GaP, InP) является актуальной задачей.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках: НИР «Диффе-ренциальная диагностика качества и прогнозирование надежности силовых полупроводниковых приборов, функционирующих в предельных тепловых режимах» (Задание ГНТП 3.6.3.4). 2Ф.21-58 "Исследование влияние параметров переходной области и внешних воздействии на надежность полупровод-никовых приборов с контактом металл-полупроводник" 2003-2007 гг.; ФА-Ф2-017 "Исследование особенностей формирования границы раздела металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник в условиях радиационной и релаксационной диффузии" на 2007-2011 гг.; ITD-14-020 "Прогнозирование надежности полупроводниковых структур и приборов на их основе методом модуляционной дифференцирования" 2009-2011 гг.

Цель исследования: выяснение механизмов повышения воспроизводимости и стабилизации параметров приборных структур на основе GaAs, GaP и InP с барьером Шоттки, сформированным аморфными пленками TiB_x.

Задачи исследования:

- исследовать физические процессы, возникающие в GaAs, GaP и InP приборных структур с барьером Шоттки, сформированных чистыми металлами (Al, Ti, Cr, W) и аморфными пленками TiB_x, под влиянием внешних воздействий и установить механизмы влияния внешних воздействий на свойства приконтактных слоев;

- исследовать влияние СВЧ излучения сантиметрового диапазона длин волн, в том числе на ранних стадиях обработки, на электрические характеристики барьерных контактов на основе GaAs, GaP и определить причины изменения электрофизических параметров;

- исследовать влияние быстрой термической обработки на параметры барьеров Шоттки TiB_x - n- GaAs (GaP, InP) и межфазные взаимодействия на границе раздела TiB_x - n- GaAs(GaP, InP);

- разработать технологию изготовления термостойких и низкоомных омических контактов с удельным сопротивлением не более 10^-4 Омсм² к GaP электронной проводимости и концентрацией донорной примеси не более 10¹⁷ см^-3;

- исследовать сформированные на пористых подложках сильнолегированного InP, эпитаксиальные n-n⁺ структуры InP, омические и барьерные контакты к ним и возможности их применения для изготовления диодов с барьером Шоттки и диодов Ганна.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования выбраны приборные структуры с барьером Шоттки на основе GaAs (GaP, InP), сформированные чистыми металлами и аморфными пленками TiB_x. Предметом исследования является установление стабилизации параметров контактов металл- GaAs (GaP, InP), сформированных чистыми металлами и аморфными пленками TiB_x под воздействием гамма-радиации ⁶⁰Со, СВЧ излучения и быстрой термической обработки.

Методы исследования. Для изучения межфазных взаимодействий использовалась Оже электронная спектроскопия в сочетании с ионным травлением (Ar⁺, E_n = 1 кэВ), рентгеноструктурный анализ, атомно-силовая микроскопия (АСМ). Облучение гамма квантами ⁶⁰Со проводилось на установке МРХ--25М. СВЧ обработка осуществлялась магнетронным излучением на частоте f = 2,45ГГц с плотностью выходной мощности 1,5 Вт/см². Исследования электрофизических характеристик и параметров диодов с барьером Шоттки, диодов Ганна и омических контактов к ним проводились на стандартизированных автоматизированных характериографах.

Гипотеза исследования заключается в том, что GaAs, InP и GaP с использованием барьерных контактов на основе аморфных фаз внедрения TiB_x являются высококачественными полупроводниковыми приборами с барьером Шоттки, стойкими к внешним воздействиям.

Основные положения, вносимые на защиту:

1. Эффект улучшения параметров (коэффициента идеальности, высоты барьера) полупроводниковых приборных структур с барьером Шоттки, связанный с радиационно-стимулированным геттерированием дефектов в приконтактной области металл-полупроводник А³В⁵.

2. Механизм, объясняющий термостойкость параметров барьеров Шоттки (отсутствие диффузии на межфазной границе) до 600С, связанный с замедлением процессов межфазного взаимодействия и массопереноса в слоях металлизации.

3. Механизм, объясняющий изменения удельного контактного сопротивления с ростом температуры в интервале от 77 до 386 K на различных образцах.

4. Механизмы, объясняющие деградацию диодных структур TiB_x-GaP(InP), подвергнутых быстрой термической обработке при Т=800^оС, обусловленные интенсивными межфазными взаимодействиями и формированием протяженного переходного слоя сложного состава.

5. Способы получения более совершенных и однородных эпитаксиальных слоев InP за счет минимального содержания в них концентраторов напряжений.

6. Способы улучшения параметров диодных структур с барьером Шоттки TiB_x-n-InP, сформированных на пористых подложках InP.

7. Механизмы, объясняющие повышение качества параметров после воздействия - квантами ⁶⁰Со и СВЧ излучения в контактах металл-полупроводник А³В⁵.

Научная новизна:

1. Показано улучшение электрофизических параметров приборных структур с барьером Шоттки TiB_x - n-GaAs(GaP, InP) под влиянием внешних воздействий, связанное с радиационно-стимулированным геттерированием дефектов в приконтактной области металл - n-GaAs(GaP, InP).

2. Обнаружен стимулированный микроволновым излучением массоперенос металла в приконтактной области полупроводника приводящий к уменьшению эффективной толщины переходного слоя и увеличению высоты барьера Шоттки; разработаны методики облучения диодных структур на воздухе.

3. Обнаружена корреляция и закономерности по стимулированию релаксации внутренних механических напряжений в арсенидгалллиевых диодных структур с барьером Шоттки при воздействии -квантами и СВЧ излучением, определены оптимальные дозы способствующие улучшению электрических характеристик приборных структур.

4. Установлено, что контактная система TiB_x - n-GaP обладает повышенной термостойкостью без изменения электрофизических параметров барьера Шоттки вплоть до Т = 600 °С.

5. Установлено, что микроволновая обработка приводит к структурно-примесному упорядочению на границе раздела TiB_x - n-GaP, сопровождающемуся более однородным распределением профилей компонентов полупроводника и TiB_x..

6. Показано, что изменение удельного контактного сопротивления с ростом температуры в интервале от 77 до 232 K обусловлено термоэлектронным механизмом; а его возрастание в интервале температур 232-386 K в образцах Au-TiB_x-AuGe-n-GaP, связано с проводимостью по металлическим шунтам.

7. Увеличение высоты барьера и уменьшение коэффициента идеальности и обратного тока в диодах Шоттки коррелирует с увеличением радиуса кривизны пластины. Подобное изменение кривизны пластины связано с перестройкой дефектной структуры в области границы раздела фаз контакта металл-GaAs и может быть объяснено в рамках модели восходящей диффузии, являющейся следствием стимулированной радиацией релаксации ВМН.

8. Экспериментально показано, что в диодных структурах Au-Ti-n-n⁺-GaAs до и после облучения -квантами ⁶⁰Со до дозы 510⁴ Гр обратный ток термогенерационной природы уменьшается более чем на порядок во всем диапазоне измеряемых напряжений, вплоть до напряжения пробоя, что обусловлено уменьшением концентрации центров генерации-рекомбинации.

Научная и практическая значимость результатов исследования:

1. Экспериментально определен диапазон доз и времени обработки, в котором возможно улучшение параметров полупроводниковых приборных структур с барьером Шоттки на основе GaAs, GaP и InP при воздействии на них гамма-квантов ⁶⁰Со и СВЧ излучения.

2. Результаты экспериментальных исследований по улучшению параметров приборных структур на основе GaAs, GaP и InP при внешнем воздействии на них гамма-квантов ⁶⁰Со и СВЧ излучения, позволяют уточнить представления о межфазных взаимодействиях в контактах и сопутствующим им процессах релаксации внутренних механических напряжений.

3. Разработана методика позволяющая определить закономерности протекания твердофазных реакций в структурах металл-GaAs(GaP, InP) и результирующий фазовый состав структуры, а также выбраны соединения для формирования термически стабильных контактов металл_GaAs(GaP, InP).

4. Разработан новый технологический подход к изготовлению автоэпитаксиальных пленок InP n-типа, выращиваемых методом жидкофазной эпитаксии на пористых подложках n⁺-InP и омических и барьерных контактов к ним с использованием аморфных фаз внедрения TiB_x.

5. Полученные данные о стойкости к внешним воздействиям (проникающая радиация, СВЧ излучение, быстрые термические нагрузки и др) полупро-водниковых приборных структур с барьером Шоттки на основе А³В⁵ и механизмах воздействия могут быть использованы при создании полупроводниковых приборов с барьером Шоттки на основе соединений А³В⁵ и аморфных пленок TiB_x.

6. Определенный диапазон доз облучения -квантами ⁶⁰Со и СВЧ арсенидгалллиевых диодных структур с барьером Шоттки за счет изменения радиуса кривизны пластины арсенида галлия может быть использован в технологических целях для улучшения параметров приборных структур.

7. Использование фаз внедрения TiB_x для эпитаксиальных структур InP за счет подавления диффузионных процессов позволяет расширить температурный диапазон структур с барьером Шоттки вплоть до 600 ⁰С за счет исключения взаимной диффузии компонентов материалов контакта.

8. Генераторные диоды Ганна, изготовленные на пористой подложке генерируют СВЧ колебания при рабочих напряжениях близких к пороговым, что на 20% ниже, чем в обычных генераторах Ганна, изготовленных на стандартных подложках InP за счет повышения однородности приконтактного и активного слоев InP.

Реализация результатов. Полученные результаты являются основой для разработки радиационно- и термостойких полупроводниковых приборов на основе А³В⁵, а также для создания высококачественных микроволновых приборов и твердотельных приемно-передающих устройств, в том числе приборных структур с барьером Шоттки и диодов Ганна на основе GaAs(InP, GaP) в научно-производственных объединениях и приборостроительных организациях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных и республиканских конференциях: «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» (г. Ташкент, 2010, 2006, 2005); “Радиационная физика твердого тела” (г. Севастополь, Украина, 2008, 2005); «Актуальные проблемы физики» (г. Баку, 2008); «Проблемы современной гражданской авиации» (г. Баку, 2007); «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе» (г. Баку-Сумгаит, 2007); «Structural Relaxation in Solids» (Vinitsa, 2005); «Актуальные проблемы физики полупроводников» (г. Дрогобич, 2005); “Взаимодействие излучения с твердым телом” (г. Минск, 2005); «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников» (г. Андижан, 2005); «Информационные и электронные технологии в дистанционном зондировании» (г. Баку, 2004). Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на объединенном семинаре Спецсовета при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз.

Опубликованность результатов. Основное содержание диссертационной работы отражено в 28 работах, опубликованных в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и трудах Международных конференций, симпозиумов (одна монография, 13 статей, 14 работ в трудах и тезисах международной конференции).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 240 наименований. Вся диссертационная работа изложена на 246 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цели и задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературных данных о проблемах и задачах в области технологии полупроводниковых приборов с барьером Шоттки и улучшения их свойств технологическим способом, а также особенности формирование контактов металл-А³В⁵. Анализ литературных данных и практики технологии полупроводниковых приборов с барьером Шоттки позволил выявить основные проблемы технологии барьерных и омических контактов к полупроводниковым материалам А³В⁵, связанные с применением для их формирования различных металлов. А также рассмотрены основные физические процессы на границе раздела фаз металл-А³В⁵ обусловленные влиянием внешних воздействий.

Во второй главе изложены экспериментальные результаты по влиянию - радиации ⁶⁰Со и БТО на свойства арсенидгаллиевых приборных структурах с барьером Шоттки.

Показано, что при облучении диодных структур Au-Al-n-n⁺-GaAs -квантами ⁶⁰Со в диапазоне доз 10³10⁴ Гр их параметры улучшаются, т.е. высота барьера _В увеличивается, коэффициент идеальности n и обратный ток I_обр уменьшаются. Увеличение высоты барьера и уменьшение коэффициент идеальности и обратного тока в диодах Шоттки коррелирует с увеличением радиуса кривизны пластины R.

а) до облучения гамма-квантами ⁶⁰Со дозой 10⁴Гр



б) после облучения гамма-квантами ⁶⁰Со дозой 10⁴Гр

Рис. 1 Профили распределения компонентов в контакте Au-Al-n-n⁺-GaAs

Подобная перестройка дефектной структуры в области границы раздела фаз контакта металл-GaAs может быть объяснена в рамках модели восходящей диффузии, являющейся следствием стимулированной радиацией релаксации ВМН. Факт же восходящей диффузии в контактах Au-Al-n-n⁺-GaAs подтверждается данными электронной Оже-спектроскопии представленными на рис. 1, из которых видно, что в результате облучения -квантами ⁶⁰ Со до дозы 10⁴ Гр обостряется профиль распределения Al в области границы раздела Al-GaAs и уменьшается толщина переходного слоя. При этом радиус кривизны облученной до 10⁴ Гр пластины Au-Al-n-n⁺-GaAs увеличился практически на порядок по сравнению с исходной структурой, (радиус кривизны исходной системы был 2 м, после облучения стал 20 м). А также в этой главе обсуждаются результаты исследования влияния гамма-радиации ⁶⁰Со в диапазоне доз 10²10⁵ Гр на электрические параметры полупроводниковых структур с барьером Шоттки Au-Ti-n-n⁺-GaAs.

До и после облучения измерялись статические вольтамперные характеристики диодных структур. Из ВАХ определялись параметры диодов Шоттки высота барьера _В, коэффициент идеальности n, и зависимости обратного тока I_обр от времени облучения.

На рис. 2 приведена дозовая зависимость коэффициента идеальности и высоты барьера Шоттки арсенидгаллиевых диодных структур с барьером Шоттки Au-Ti-n-n⁺-GaAs. Видно, что в диапазоне доз 10² - 10⁵ Гр параметры барьера Шоттки улучшаются, высота барьера увеличивается от 0,87 эВ в необлученных структурах до 0,89 эВ после облучения до дозы 10⁵ Гр, а коэффициент идеальности уменьшается от величины 1,25 до 1,12. Анализ обратных токов в диодных структурах Au-Ti-n-n⁺-GaAs до и после облучения -квантами ⁶⁰Со до дозы 510⁴ Гр показал, что практически на всех облученных диодных структурах обратный ток термогенерационной природы уменьшается больше, чем на порядок во всем диапазоне измеряемых напряжений, вплоть до напряжения пробоя, что обусловлено уменьшением концентрации центров генерации-рекомбинации и, как следствие, увеличением времени жизни неосновных носителей заряда _р в базовой области диода.

Рис. 2 Влияние облучения -квантами ⁶⁰Со на параметры ПБС Au-Ti-n-n⁺-GaAs

А также рассмотрено влияние - радиации ⁶⁰Со на параметры контактных структур Au-TiB_x-GaAs. Экспериментальные резуль-таты исследования показывают, что облучение контактных структур -квантами ⁶⁰Со способствует релаксации ВМН и в некоторых случаях улучшению их параметров вследствии радиационно-стимулированного геттерирования, способствую-щего структурно-примесному упорядочению в области границы раздела фаз металл-полупроводник. Поскольку такие данные по радиационному воздействию (облучение -квантами ⁶⁰Со) на контакты, содержащие фазы внедрения TiB_x отсутствовали, мы провели экспериментальные исследования по выявлению дозовых зависимостей параметров барьеров Шоттки TiB_x-n-n⁺-GaAs и Au-TiB_x-n-n⁺-GaAs. До и после облучения -квантами ⁶⁰Со в интервале доз 10² - 10⁶ Гр при интенсивности дозы 1 Гр/с были измерены прямые и обратные ветви ВАХ барьерных структур, из которых были рассчитаны параметры: высота барьера _В и коэффициент идеальности n, приведенные в табл. 1. На этих же структурах на профилометре П201 до и после облучения был измерен радиус кривизны R пластины. Из табл.1 видно, что при сравнительно малых дозах -радиации ⁶⁰Со ((10³ - 10⁵) Гр для ПБС TiB_x -n-n⁺-GaAs и 5^.10² - 10⁵ Гр для Au-TiB_x-n-n⁺-GaAs) наблюдается улучшение параметров ПБС. При этих же дозах существенно увеличивается радиус кривизны пластины с сформированными на ней ПБС. Во всем рассмотренном интервале доз -радиации наблюдается уменьшение обратного тока в структурах обоих типов. Полученные данные

Таблица. 1

Дозовые зависимости _В, n и R ПБС TiB_x -n-n⁺-GaAs и Au-TiB_x-n-n⁺-GaAs, облученных -квантами ⁶⁰Со

TiBx -n-n+-GaAs
Доза, Гр
	Исх.	102	5.102	103	104	105	5.105	106
В, эВ	0,79	0,79	0,79	0,81	0,82	0,84	0,82	0,82
n	1,3	1,3	1,25	1,18	1,15	1,1	1,16	1,18
R, м	7,8	7,8	7,8	12	14	32	30	30
Au-TiBx-n-n+-GaAs
В, эВ	0,79	0,79	0,79	0,80	0,82	0,82	0,80	0,80
n	1,28	1,28	1,22	1,15	1,15	1,15	1,17	1,17
R, м	10	10	16	24	24	24	24	24

свидетельствуют о стимулированной -радиацией ⁶⁰Со релаксации ВМН и находятся в соответствии с общей моделью стимулированной внешними воздействиями релаксации ВМН гетеросистем, предложенной профессором Тхориком Ю.А. [5].

Наряду с -квантами ⁶⁰Со в качестве технологического фактора, влияющего на свойства барьерных структур на основе фаз внедрения мы выбрали быстро термический обработку на электрофизические характеристики силовых диодов Шоттки Au-TiB_x-n-n⁺-GaAs на пластине и их взаимосвязь со свойствами границы раздела фаз TiB_x-GaAs в зависимости от режимов термообработки. Быстрые термические обработки были выполнены при температурах 400^ОС и 600^ОC в течение 60 с в водородной атмосфере. Морфология поверхности пленки Au в контакте Au-TiB_х-n-n⁺-GaAs до и после быстрой термической обработки при T = 400^ОС и 600^ОC показана на рис. 3. Из рис. 3 видно, что быстрая термическая обработка при Т=400^ОC существенно не изменила морфологию поверхности пленки Au.

а) до БТО



б) после БТО при 400⁰ С

в) после БТО при 600⁰ С

Рис. 3 Морфология поверхности металлизации Au-TiB_x (увеличение 6000 раз)

После быстрой термической обработки при T=600 ^ОC наблюдается преобразование мелкозернистого строения металлического покрытия (золота) в крупнозернистое. При этом электрические характеристики диодов Шоттки коррелируют с изменениями в морфологии поверхности TiB_x-GaAs. Для исходной выборки высота барьера Шотки _В=0.78 эВ и коэффициент идеальность n = 1.2. После быстрой термической обработки при T=400 (600) ^ОC вышеупомянутые параметры были 0.78(0.6) эВ и n = 1.15(1.64) соответственно. Показано, что силовые диоды Шоттки на основе контакта Au-TiB_х-GaAs является термостойкими до 400^ОC.

В третьей главе обсуждаются экспериментальные результаты по влиянию СВЧ-излучения на электрические характеристики ПБС с контактом Шоттки на основе арсенида галлия при сравнительно малой длительности воздействия СВЧ-излучения.

Изменение параметров диодных структур с барьером Шоттки вследствие воздействия СВЧ облучения приведено в табл. 2. Из приведенных данных видно, что облучение диодных структур в течение 0,520 с приводит к некоторому улучшению параметров прямой ветви ВАХ барьеров Шоттки, а именно: увеличению _В и уменьшению коэффициента идеальности. При этом на всех облученных диодных структурах во всем диапазоне доз существенно уменьшается обратный ток термогенерационной природы, что связано с увеличением времени жизни неосновных носителей тока в базовой области диодов обусловленного стимулированным СВЧ излучением геттерированием дефектов.

Таблица 2

Влияние СВЧ излучения на электрофизические параметры диодных структур с барьером Шоттки Au-TiB_х - n-n⁺-GaAs

Режим обработки	Параметры
	n	В, эВ	IS, A	Iобр,А при Uобр=4 В
Исходные 3 с 5 с 10 с 20 с	1,14 1,14 1,08 1,06 1,06	0,73 0,74 0,78 0,82 0,82	8,310-11 7,410-11 3,810-11 1,1410-11 1,810-11	2,110-9 2,210-9 1,610-9 3,610-10 1,610-10

А также структурные исследования пленки TiB_x до и после СВЧ обработки показали, что микроволновое облучения в течение 10 с приводит к появлению в ней однородного полосчатого контраста с периодичностью полос -625Е и глубиной -100Е. Этот эффект, как показали наши данные по измерению кривизны системы TiB_x-GaAs сопровождается её уменьшением после СВЧ обработки, т.е. изменением собственных деформации в системе и их релаксаций вдоль направления <111>. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии эффекта стимулированного СВЧ излучением геттерирования в полупроводниковых структурах с барьером Шоттки на основе GaAs за счет релаксации внутренних механических напряжений. Изменение параметров диодных структур подверг-нутых СВЧ обработке полностью коррелирует с характером их изменений в аналогичных структурах, подвергнутых облучению гамма-квантами ⁶⁰Со.

В этой главе также приводятся новые экспериментальные данные о влиянии микроволновой обработок на параметры диодных структур с барьером Шоттки Au-Ti-n-n⁺-GaAs и релаксаций ВМН в пластинах с n-n⁺- структурой GaAs и диодных структурах Au-Ti-n-n⁺-GaAs. В табл. 3 приведены параметры диодных структур и величины радиусов изгиба пластин до и после СВЧ облучения. Из табл. 3 видно, что параметры барьеров Шоттки - высота барьера _B, коэффициент идеальности n и величина обратного тока I_обр при фиксированном напряжении коррелируют с изменением радиуса кривизны систем с ростом дозы СВЧ облучения (ростом времени обработки). Облучение диодных структур Au-Ti-n-n⁺-GaAs в течении 5 с приводит к полной релаксации ВМН (R=, а =0, система ненапряжена), при этом _B возрастает, а величины n и I_обр уменьшаются. Уменьшение коэффициента идеальности n и обратного тока I_обр, увеличение высоты барьера _B в интервале времени 2-10с после СВЧ обработки свидетель-ствует о структурно-примесном упорядочении в приповерхностном слое GaAs и переходе системы в термодинамически более равновесное состояние по сравнению с исходным, что является следствием стимулированной СВЧ облучением релаксации внутренних механических напряжений. На это указывают данные

Таблица 3

Влияние времени СВЧ обработки на радиус кривизны R и параметры _B, n и I_обр диодных структур Au-Ti-n-n⁺-GaAs

параметры структур	Время облучения, с
	0	1	2	3	5	6	10
R, м	6,0	12	12	19
B, эВ	0.63	0.63	0.64	0.69	0.72	0.72	0.72
n	1.35	1.35	1.30	1.22	1.15	1.15	1.15
Iобр, А, при Uобр = 4 В	410-8	410-8	210-8	410-9	10-9	10-9	10-9

по изменению профиля атомных плоскостей поверхности структур n-n⁺-GaAs и Au-Ti-n-n⁺-GaAs (рис. 4 и рис. 5) в результате СВЧ обработки. Видно, что под действием микроволновой обработки в течении 2-10 с в обоих образцах возможно достижение значительной, почти полной релаксации ВМН. При этом по данным рентгенотопографических исследований, базирующихся на явлении аномального прохождения рентгеновских лучей, распределение плотности дислокаций в n-n⁺-структуре GaAs носит слабовыраженный W-подобный характер, который не изменяется после указанных выше режимов СВЧ обработки. Зарождаются отдельные дислокации и распространяются по плоскостям скольжения от края вглубь подложки. Контраст от микровключений исчезает - включения распадаются. Изменения в дислокационной структуре таких образцов сопровождаются интенсивным перераспределением полей упругих деформаций и более однородным их распределением по образцу, что в приборных структурах, с диодной топологией, коррелирует с увеличением процента выхода приборов с идентичными параметрами. Полученные экспериментальные данные коррелируют с изменением радиуса изгиба гомо- и гетеросистем после СВЧ облучения.



Рис. 4 Изменение профиля атомных плоскостей поверхности структур n-n⁺-GaAs в результате СВЧ-обработки

Рис. 5 Изменение профиля атомных плоскостей поверхности структур Au-Ti-n-n⁺-GaAs в результате СВЧ-обработки

Экспериментальные данные показывают, что при малых дозах СВЧ облучения арсенидгаллиевых приборных структур с барьером Шоттки, вследствие возбуждения электронной подсистемы полупроводника наблюдается релаксация внутренних механических напряжений, сопровождающаяся изменением электро-физических свойств приповерхностных слоев арсенида галлия, коррелирующих с изменением параметров диодных структур с барьером Шоттки.

Аналогичные эффекты до и после СВЧ обработки наблюдаются диодах с барьером Шоттки Мо-n-n⁺-GaAs. Экспериментальные результаты показывают, что СВЧ обработка диодных структур приводит к улучшению параметров барьеров Шоттки, а именно: увеличению высоты барьера _В и уменьшению коэффициента идеальности n. Увеличение высоты барьера _В и уменьшение коэффициента идеальности n после СВЧ обработки в диодах Шоттки коррелирует с увеличением радиуса кривизны пластины R, что может быть связано с радиационно-стимулированным структурно примесным упорядочением на границе раздела Мо-GaAs. А также экспериментальные данные показывают, что улучшение параметров барьера Шоттки, связано с уменьшением толщины переходного слоя Мо-GaAs. Действительно, распределение компонентов в контактах Мо-GaAs, для контроль-ного и подвергнутого СВЧ обработке образцов показывает, что после СВЧ обработки в контактах произошли изменения, связанные с массопереносом компонентов и уменьшением вследствие этого эффективной толщины переходного слоя. При этом наблюдается, увеличение высоты барьера от 0,74 до 0,78 В. Мы полагаем, что изменения происходящие на границе раздела Мо-GaAs после СВЧ обработки обусловлены релаксацией внутренних механических напряжений в контакте следствием чего является увеличение радиуса кривизны контактной структуры (табл.4.).

Таблица 4

Параметры диодных структур с барьером Шоттки Мо-n-n⁺-GaAs до и после СВЧ обработки в течение 5 секунд

Параметры
	B IV, эВ	B CV, эВ	n	R, м	, нм
Исходный	0,74	0,86	1,18	7,2	9,7
СВЧ обработка, 5 сек	0,78	0,93	1,12	14	5,6

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что низкодозовая микроволновая обработка может быть использована для управления свойствами арсенидгаллиевых приборных структур с диодами Шоттки при воздействии на них СВЧ излучения с частотой f=2,45 ГГц длительностью 020с.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные исследования влияние кратковременного быстро термического отжига и микроволнового излучения на свойства контакта TiB_x-n-GaP.

Для оценки термостойкости барьерных контактов TiB_x-n-GaP использовалась быстрая термическая обработка (БТО) при температурах 400, 600 и 800 ^оС. До и после быстрой термической обработки на тестовых структурах со сплошным слоем TiB_x методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) исследовалась морфология поверхности пленки TiB_x на серийном атомно-силовом микроскопе Nanoscope IIIa. На дифрактометре “ДРОН-2” исследовался фазовый состав металлизации. Для получения профилей распределения компонентов металлизации использовался метод электронной Оже-спектроскопии. На диодных структурах до и после быстрой термической обработки измерялись ВАХ, из которых определялись высоты барьеров Шоттки ц_В и коэффициент идеальности n.

Результаты Оже-анализа показали, что существенное перемешивание на границе раздела TiB_x-n-GaP отсутствует как в исходных образцах, так и прошедших быстрой термической обработки при температуре Т = 400 и 600 ^оС. При температуре отжига 800 ^оС, наблюдается структурная перестройка TiB_x, что способствует сильному "размыванию" границы раздела. Это подтверждают и данные рентгенофазового анализа показавшего, что пленки TiB_x содержат как рентгеноаморфную фазу TiB_х, так и незначительное количество поликристалллического гексагонального ТiB₂. Отжиг не повлиял на фазовый состав пленки. Поэтому можно полагать, что наблюдаемые изменения на межфазной границе связаны со структурной модификацией контактирующего слоя.

Действительно, как видно из рис. 6 отжиг при 400 и 600°С поверхность изменяет очень мало. Резкое изменение рельефа вызывает отжиг при 800°С на поверхности, наблюдаются отдельные формирования диаметром порядка 100 нм и высотой до 20 нм, со средней плотностью 60 шт/мкм².

Резкое изменение рельефа при 800^оС является следствием структурных перестроек в пленке TiB_x, сопровождаемых усилением массопереноса на межфазной границе металл-GaP (рис. 6). А также, температуры отжига 800^оС могут приводить к дополнительной генерации дефектов как вследствие термической нестабильности материала, так и за счет межфазных взаимодействий. Доминирующим в токопереносе и при данных температурах отжига остается механизм тормоэлектронной эмиссии. Измерения ВАХ диодных структур показали, что величина коэффициента идеальности n для разных диодов составляет 1,2ч1,3, что в соответствии с [6] отвечает термоэлектронному механизму токопереноса, а высота барьера Шоттки ц_В=1,0ч1,2 эВ. БТО при Т=400(600°С) существенно не изменила эти параметры. БТО при Т=800 °С привела к резкому ухудшению величин n и ц_В - величина n возросла до 2,5-3, а ц_В уменьшилась до 0,7ч0,8 эВ.

а) до БТО	б) после БТО при 400 0С
в) после БТО при 600 0С	г) после БТО при 800 0С

Рис. 6 Морфологические особенности поверхности TiB_x-n-GaP

Таким образом, совокупность комплексных исследований барьерных контактов TiB_x-n-GaP методами АСМ, рентгеновской дифракции, Оже-спектроскопии и вольтамперметрии показали, что контактная система TiB_x - n-GaP обладает повышенной термостойостью не изменяя значений электрофизических параметров барьера Шоттки вплоть до Т=600 °С. Ухудшение ВАХ при БТО при 800 °С связано со структурной перестройкой слоя TiB_x, которая резко усиливает его диффузионную проницаемость для атомов полупроводника, что и приводит к деградации электрофизических параметров барьера.

В этом разделе также рассматривается влияние микроволновой обработки в течение 10 секунд на электрические характеристики диодных структур TiB_x-n-GaP. На диодных структурах TiB_x-n-GaP, до и после СВЧ обработки на частоте f=2,45 ГГц при плотности мощности Р=1,5 Вт/см² измерялись ВАХ и ВФХ. На рис. 7 а, б приведены обратные ветви ВАХ и ВФХ исходной диодной структуры до и после микроволновой обработки в течение 10 секунд.

Анализ обратных токов в диодных структурах TiB_x-n-GaP до и СВЧ обработки в течение 10 с показал, что практически на всех облученных диодных структурах обратный ток уменьшается примерно, в 5-10 раз во всем диапазоне измеряемых напряжений, что обусловлено уменьшением концентрации центров генерации-рекомбинации. При этом после 10 с СВЧ обработки на ВФХ изменение не наблюдается рис. 7 (б), т.е. концентрация легирующей примеси в n-области GaP не изменилась, поэтому наблюдаемые изменения ВАХ обусловлены не объемными параметрами GaP, а гомогенизацией переходного слоя и структурно-примесным упорядочением границы раздела TiB_x-n-GaP. Показано, что воздействие СВЧ излучения в течение 10 с частотой 2,45 ГГц, на параметры диодных структур с барьером Шоттки TiB_x-n-GaP, приводящее к структурно-примесному упорядочению в приповерхностных слоях полупровод-ника, обусловливает улучшение параметров диодных структур.

а) Обратные ветви ВАХ	б) ВФХ (1/С2)
Кривая-1-до; кривая-2-после микроволновой обработки в течение 10 секунд

Рис. 7 Обратные ветви ВАХ и ВФХ (1/С²) диода Шоттки TiB_x-n-GaP

На рис. 8 и 9 приведены профили распределения TiB_x и n-GaP до и после микроволновой обработки исходных и прошедших БТО структур. Из

а) до и после БТО при Т=400(600) С	б) после микроволновой обработки исходных и прошедших БТО структур

Рис. 8 Профили распределения TiB_x в контактах TiB_x-n-GaP

представленных на рисунках видно, что микроволновая обработка приводит к структурно-примесному упорядочению на границе раздела TiB_x-n-GaP сопро-вождающемуся более однородным распределением профилей компонентов полупроводника и TiB_x. Однако, судя по профилям, ни после БТО, ни после микро-волновой обработки фазовый состав металлизации и переходного слоя существенно не изменился. Сопоставление профилей компонентов металлизации и полупроводника после БТО и микроволновой обработки показывает, что более интенсивная гомогенизация свойств границ раздела TiB_x-n-GaP наблюдается после микроволновой обработки и сопровождается увеличением крутизны профилей компонентов полупроводника (галлия и фосфора). Эффект обострения профилей Gа и P связан также с релаксацией внутренних механических напряжений. Оценка деформации в исходных (необлученных) контактах TiB_x-n-GaP и этих же облученных в СВЧ поле показала, что после облучения деформация уменьшалась на 13-15%.

а) до и после БТО при Т=400(600) С	б) после микроволновой обработки исходных и прошедших БТО структур

Рис. 9 Профили распределения GaP в контактах TiB_x-n-GaP

В пятой главе рассмотрен новый технологический подход к изготовлению автоэпитаксиальных пленок InP n-типа, выращиваемых методом жидкофазной эпитаксии на пористых подложках n⁺-InP и омических и барьерных контактов к ним с использованием аморфных (квазиаморфных) фаз внедрения TiB_x. Показаны преимущества диодов с барьером Шоттки TiB_x-n-n⁺-n⁺⁺InP, изготовленных на пористых подложках перед таковыми, изготовленными на стандартных жестких подложках, а также возможность создания на эпитаксиальных структурах InP, выращенных на пористых подложках диодов Ганна на частотный диапазон 120-150 ГГц. Изложены результаты исследования морфологии поверхности, структурного совершенства автоэпитаксиальных слоев на жестких и пористых подложках InP и ВАХ диодов Шоттки на их основе. Показано, что эпитаксиальные пленки InP, выращенные на пористой подложке с буфером, легированные диспрозием со стороны ростовой поверхности и оловом верхний слой, являются структурно более совершенными, чем на «жестких» подложках. Морфология поверхности автоэпитаксиальных слоев InP, выращенных на жестких и пористых подложках InP приведена на рис. 10. Из рис. 10а видно, что эпитаксиальные слои InP, выращенные на «мягких» подложках оказываются более совершенными, чем на «жестких». Слои InP, выращенные на обычных подложках с буфером (рис. 10 б) и без буфера (рис. 10 в), имеют более развитую поверхность, чем эпислои, выращенные на пористой подложке InP с буфером.

А также в этой главе представлены оценки величины полей остаточных упругих макродеформаций автоэпитаксиальных слоев InP, выращенных на жестких и пористых подложках InP, полученные методом рентгеновской дифракто метрии.

а) выращенных на пористой подложке с буфером
б) на жесткой подложке с буфером
в) на жесткой подложке без буфера

Рис. 10 АСМ изображение фрагментов поверхности и гистограммы распределения высот неровностей автоэпитаксиальных слоев InP

Показано, что эпитаксиальные слои, выращенные на пористой подложке с буферным слоем имеют наивысший уровень структурного совершенства, лучшее распределение компонентов (рис. 11), наименьшую полуширину кривой дифракционного отражения по сравнению с эпислоями, выращенными на жестких подложках.

Таким образом, приведенные экспериментальные данные по исследованию структурных и морфологических особенностей эпислоев InP, выращенных на жестких и пористых подложках с буферным слоем, а также барьерных контактов к ним с использованием фаз внедрения TiB_x свидетельствует о реальной возможности формирования на их основе приборных структур с барьером Шоттки.

а) жесткая подложка InP	б) пористая подложка InP

Рис. 11 Профили распределения компонентов в контактах TiB_x-n-n⁺-n⁺⁺InP

В шестой главе рассмотрена структурные и электрфизические свойства барьерных контактов Au-TiB_x-n-n⁺-n⁺⁺-InP, сформированных магнетронным распылением Au и TiB_x на стандартные («жесткие») и пористые («мягкие») подложки n⁺⁺-InP и термической устойчивость контактов сформированных Au и ТiB_x на стандартные и пористые подложки n⁺⁺-InP. Диодные структуры с барьером Шоттки, сформированные на пористых подложках InP обладают лучшими параметрами, чем диодные структуры, изготовленные на стандартных подложках InP, что обусловлено их большей структурной и топографической однородностью и минимальным содержанием концентраторов напряжений.

На рис. 12 представлены прямые ветви вольт-амперных характеристик контактов Au-TiB_x-n-(n⁺)-n⁺⁺InP, изготовленных на эпислоях, выращенных на стандартных и пористых подложках. Наблюдаются существенные отличия в токопереносе этих контактных структур в области малых прямых смещений, где играют существенную роль структурно-фазовые неоднородности контактов. Для контактов, изготовленных с использованием пористых подложек токи утечки уменьшаются более чем на порядок величины. Обратные ветви ВАХ диодов Шоттки, изготовленных эпиструктурах, выращенных на подложках InP трех типов (пористой с буфером и 2^х типов стандартных - с буфером и без буфера) показал, что ВАХ этих диодов отличаются уровнем утечки и напряжением пробоя диода Шоттки.

Экспериментально показано, что повысить термостойкость барьерных контактов к InP можно при использовании в качестве барьерообразующих материалов термостабильных и химически инертных аморфных (или квази-аморфных) пленок на основе TiB_x.

1-на жесткой подложке без буфера, 2- на жесткой подложке с буфером, 3- на пористой подложке с буфером

Рис. 12 Прямые ветви ВАХ диодных структур с барьером Шоттки Au-TiB_x-n-(n⁺)-n⁺⁺InP

На рис. 13 представлены профили распределения компонентов в контактах TiB_x-n⁺⁺ InP до и после быстрых термических отжигов. Видно, что отсутствует значительное перемешивание на границах раздела фаз как в исходных, так и прошедших БТО до 600^оС образцах. При температурах отжига превышающих 600 °С процессы, протекающие в контактной структуре указывают на усиление химических реакций между атомами контактообразующей пары. В этом случае отсутствует механизм ограничения межфазных взаимодействий, связанный с поступлением атомов к месту реакции и формированием сплава сложного химического состава. Усиление массопереноса в контактах после их отжига при Т=800⁰С обусловлено релаксацией ВМН в контактах, сопровождающейся растрескиванием контактной системы. Потеря барьерных свойств TiB_x при отжигах больше 600^оС наблюдалась и в случае двухслойной металлизацией Au-TiB_x-n⁺⁺-InP. Сопоставление Оже-профилей атомных компонент контактов Au-TiB_x-n⁺⁺-InP и TiB_x-n⁺⁺-InP, подвергнутых отжигам в диапазоне 400-800^оС выявили, что главным фактором, оказывающим доминирующее влияние на характеристики диодов, является на начальном этапе проникновение атомов Au на границе раздела и металлизация промежуточного слоя, а затем происходит усиление аутдиффузии компонентов полупроводника. Наблюдается распад слоевой структуры контакта с образованием неоднородного по химическому составу сплава. Таким образом, величина и соотношение предельных растворимостей In и Р в контактирующем с полупроводником слое определяют направление и степень разупорядочения приконтактной области InP.

а) до БТО	б) после БТО при 400 0С
в) после БТО при 600 0С	г) после БТО при 800 0С

Рис. 13 Распределение компонентов в контактах TiB_x-n⁺⁺-InP

А также в этой главе представлены особенности электрических характеристик диодов Ганна на эпислоях, сформированных на пористых подложках InP. Макеты диодов Ганна были изготовлены по базовой технологии Государственного предприятия НИИ «Орион» на эпислоях InP, выращенных на стандартных и пористых подложках с использованием омических контактов Au-TiB_x-AuGe, контактное сопротивление в которых было 10^-5 Ом^.см².

Использовались эпиструктуры, в которых подложка была толщиной ~350 мкм с концентрацией легирующей примеси (олово) ~2^.10¹⁸ см^-3 буферный слой имел толщину ~3 мкм и концентрацию легирующей примеси ~56^.10¹⁷ см^-3, рабочий (активный) слой - толщину 2 мкм и концентрацию легирующей примеси в нем ~10¹⁶ см^-3. Диаметр меза-структуры был ~ 60 мкм. Диодные чипы были собраны в металлокварцевые корпуса. Измерение СВЧ параметров в частотном диапазоне 120-150 ГГц осуществлялось в прямоугольном волноводном генераторе сечением 0,8х1,6 мм. Максимальная выходная мощность на частоте 120 ГГц (вторая гармоника) составила ~3,5 4 мВт.

Оказалось также, что генераторы с диодами, изготовленными на пористой подложке начинали генерировать при рабочих напряжениях близких к пороговым, тогда как в обычных генераторах Ганна, изготовленных на стандартных подложках InP генерация СВЧ колебаний возникает при напряжениях, превышающих пороговые на 20%.

Таким образом, приведенные экспериментальные данные по исследованию электрофизических, структурных и морфологических особенностей эпислоев InP выращенных на стандартных и пористых подложках с буферным слоем, а также барьерных контактов к ним с использованием фаз внедрения TiB_x свидетельствуют о реальной возможности формирования на их основе термостойких до 600^oС высококачественных приборных структур с барьером Шоттки. Показаны преимущества диодов с барьером Шоттки TiB_x-n-n⁺-n⁺⁺InP, изготовленных на пористых подложках перед таковыми, изготовленными на стандартных жестких подложках, а также возможность создания на эпитаксиальных структурах InP, выращенных на пористых подложках диодов Ганна на частотный диапазон 120-150 ГГц.

зАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что при малых дозах СВЧ-обработки и облучения -квантами ⁶⁰Со арсенидгаллиевых n-n⁺ структур, приборных структур с барьером Шоттки и тестовых металлизированных n-n⁺-структур наблюдается релаксация внутренних механических напряжений, сопровождающаяся изменением электрофизических свойств приповерхностных слоев арсенида галлия, коррелирующих с изменением параметров диодных структур с барьером Шоттки.

...