CC BY
92
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.328.323
В.А.Дмитриев, А.П.Штейнгарт
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
The investigation of the epitaxial gallium arsenide structures, grown on semiinsulating substrates, with the method of surface foto-EMF, is carried out. Physical processes, underlying this method, are observed. Correlation between the results of surface foto-EMF of the epitaxial structures and the parameters of MESFET's, based on this structures, is shown.
Введение
Одним из основных факторов, определяющих параметры СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ), является качество исходного материала. Таким образом, выработка критериев для исходного материала при создании приборов входит в число наиболее важных вопросов повышения качества продукции. Кроме того, анализ исходного материала позволяет повысить эффективность производственного процесса за счет входного контроля.
Эта проблематика неоднократно рассматривалась за рубежом [1-3], однако сведения в этих источниках ограниченны и недостаточны для практического использования. Доступные отечественные публикации [4], рассматривающие качество исходного арсенида галлия и его влияние на параметры приборов, не затрагивают проблем эпитаксиальных структур.
Исходные эпитаксиальные структуры арсенида галлия, выращенные
на полуизоляторе
В настоящей работе проведено исследование исходного материала для создания СВЧ ПТШ — эпитаксиальных арсенидгаллиевых структур, выращенных на полуизолирующих подложках методом осаждения из газовой фазы или методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Исходные структуры для исследований и создания приборов представлены предприятием «Элма-Малахит» (Москва).
Структуры имели конфигурацию, схематично представленную на рис.1.
Подложка представляет собой полуизолирующий арсенид галлия, высокое удельное сопротивление которого достигается за счет компенсации фоновых носителей заряда примесями (чаще всего хромом — EV + 0,79 эВ), создающими глубокие уровни в запрещенной зоне арсенида галлия. Наиболее сложной проблемой при получении качественного полу-изолятора является выбор степени компенсации мелких примесей глубокими центрами. Оценка качества пластин полуизолирующего арсенида галлия проводилась методом измерения радиальной неоднородности токов утечки [4]. В результате этого исследования подтверждена корреляция распределений токов утечки по диаметру пластин полуизолятора с параметрами ПТШ, созданных на основе ионно-легированных структур.
Г
о
с
п+ 8-Ю18 см"3
п 1 Ю17 см'3
п 17 -3 5...8-10 см
буфер
н/л
подложка
н/л
30...50 нм
60...80 нм
50...80 нм
'1 мкм
400 мкм
Рис.1. Исследованные эпитаксиальные структуры
Несмотря на дешевизну и технологичность полуизолирующего арсенида галлия, используемого в качестве основы исследуемых структур, его качество не является удовлетворительным для создания приборов, работающих на частотах выше 12 ГГц. Это обусловлено как значительной концентрацией в нем фоновых и компенсирующих примесей, так и высокой дефектностью материала, являющейся следствием процессов выращивания монокри-сталлического слитка, резки его на пластины и др. По этим причинам параметры транзисторов, созданных на ионно-легированных структурах и исследованных в работе [4], уступают параметрам сформированных в эпитаксиальных слоях при повышении рабочих частот до 12.. .25 ГГц и выше.
Следует также отметить, что функционирование ПТШ определяется тонкими приповерхностными областями полупроводника, анализируемыми в процессе исследования.
Исследование эпитаксиальных структур арсенида галлия
Исследование эпитаксиальных структур проводилось методом измерения поверхностной фото-ЭДС. Структурная схема установки, использованной для этого исследования, приведена на рис.2.
Рис.2. Блок-схема установки для исследования полупроводниковых пластин методом измерения поверхностной фото-ЭДС
При исследовании структур этим методом участок поверхности полупроводника освещается модулированным по амплитуде монохроматическим излучением от лазерного диода (длина волны — 0,84 мкм, частота модуляции — 5 кГц). Облучение приводит к модуляции электрического заряда на поверхности образца, измеряемого с помощью емкостного датчика. Механическая часть установки обеспечивает сканирование узлом лазер-датчик всей площади пластины. ЭВМ через аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь управляет синхронной работой элементов установки и производит запись результатов исследования. Кроме того, ЭВМ обеспечивает возможность визуального наблюдения распределения фото-ЭДС по поверхности структуры в виде цветного изображения (примеры приведены на рис.3).
Рис.3. Примеры «изображений» распределения фото-ЭДС по поверхности арсенидгаллиевых пластин: 1, 2 — эпитаксиальная структура арсенида галлия до и после химической обработки; 3 — полуизоли-рующая пластина арсенида галлия
Генерация носителей заряда под действием лазерного излучения с энергией квантов 1,48 эВ обусловливает изменение зарядового состояния полупроводника, при этом происходят энергетические переходы носителей заряда «зона — зона» и «примесь — зона». Таким образом выявляется роль примесей и дефектов, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне арсенида галлия, причем за счет сильного собственного поглощения эффект локализуется в приповерхностной области структур.
Выявление заряженных глубоких центров на фоне подвижных носителей заряда, образовавшихся при облучении, становится возможным вследствие более высокой эффективности процесса собственной рекомбинации (по сравнению с примесной) и вследствие диффузии подвижных носителей заряда вглубь эпитаксиальной структуры. Вследствие этого величина фото-ЭДС определяется содержанием глубоких примесей в приповерхностном слое исследованных образцов.
Для выявления роли свободных носителей заряда проведено исследование структур различного типа:
1. п+-п-і-ОаАє (эпитаксиальный) на полуизолирующей подложке;
2. п-і-ваАє (эпитаксиальный) на полуизолирующей подложке;
3. полуизолирующая подложка.
Выяснено, что:
— наибольшие значения фото-ЭДС соответствуют полуизолирующему арсениду галлия;
— значения фото-ЭДС для эпитаксиальных структур первого и второго типа имеют один порядок и примерно в 10 раз меньше по сравнению с третьим образцом.
Таким образом, концентрация свободных носителей заряда, в отличие от примесного состава приповерхностного слоя исследуемой структуры, не оказывает влияния на величину фото-ЭДС.
На основании исследования эпитаксиальных структур методом измерения поверхностной фото-ЭДС проведен поиск корреляции между значениями поверхностной фото-ЭДС и параметрами изготовленных ПТШ. Для этого с определенных участков пластины собирались партии приборов, участвовавших в статистическом анализе.
Было исследовано три типа приборов различных конструкций с рабочими частотами
4, 18 и 25 ГГц. Количество исследованных участков пластин составило соответственно 49, 28 и 50 (общее количество пластин — 20 шт.). Объем одной партии составлял в среднем пять приборов. Результаты анализа представлены в таблице.
Коэффициенты корреляции СВЧ параметров с фото-ЭДС
Прибор 25 ГГц 18 ГГц 4 ГГц
Kmmm 0,413 0,448 0,141
KУР.opt -0,249 -0,109 -0,361
Таким образом, для всех исследованных типов транзисторов можно сделать общий вывод: участкам пластины с меньшим значением фото-ЭДС соответствуют ПТШ с лучшими СВЧ параметрами — меньшим минимальным коэффициентом шума и большим оптимальным коэффициентом усиления мощности.
Выводы
В ходе исследования показано, что методом измерения поверхностной фото-ЭДС может быть оценено качество эпитаксиальных арсенидгаллиевых структур, определяемое глубокими центрами. Выявлена корреляция результатов измерения поверхностной фото-ЭДС с параметрами транзисторов.
Таким образом, метод измерения поверхностной фото-ЭДС можно считать пригодным для входного контроля эпитаксиальных арсенидгаллиевых структур, а также для анализа изменения свойств поверхности пластин после обработки в ходе технологического процесса изготовления приборов.
1. Kawase T., Yoshida H., Sakurada T., Hagi Y., Kaminaka K., Miyajima H., Kawarabayashi Sh., Toyoda N., Ki-yama M., Sawada Sh., Nakai R. Properties of 6-inch semi-insulating GaAs substrates manufactured by Vertical Boat Method. http://www.gaasmantech.org/digest/1999/PDF/ 66.pdf
2. Influence of stoichiometry and doping on vacancies in n-type GaAs / J. Gebauer, M. Lausmann, F. Redmann, R. Krause-Rehberg // Physica B. 1999. http://www.elsevier.com/inca/publications/store/5/0/5/7/1/2/
3. Istvan R. The Future Potential. http://www.gaasmantech.org/digest/1999/PDF/48.pdf
4. Селезнев Б.И. // Вестник НовГУ. 1995. №10. C.96-101.
