Научная статья на тему 'Исследование эпитаксиальных структур арсенида галлия'

Исследование эпитаксиальных структур арсенида галлия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
363
81
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Дмитриев В. А., Штейнгарт А. П.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование эпитаксиальных структур арсенида галлия»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.