авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Влияние содержания германия и поверхностных состояний на свойства переходов металл - si1-xgex, на основе al, au, ni и ti

-- [ Страница 1 ] --

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А. АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В. СТАРОДУБЦЕВА


На правах рукописи

УДК 621,315,592; 539.2







ХАЖИЕВ МАРДОНБЕК УЛУГБЕКОВИЧ



«Влияние содержания германия и поверхностных

состояний на свойства переходов металл - Si1-xGex,

на основе Al, Au, Ni и Ti»




01.04.10 - физика полупроводников





А В Т О Р Е Ф Е Р А Т


диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук









Ташкент 2010

Работа выполнена в Физико-техническом институте имени С.В.Стародубцева

Академии наук Республики Узбекистан

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

Матчанов Нураддин Азадович

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Лейдерман Ада Юльевна

Доктор физико-математических наук, профессор

Зикриллаев Нурулло Фатхуллаевич


Ведущая организация: Национальный университет Узбекистана

Защита состоится «___»_________2010 г. в _____ часов на заседании Объединенного специального совета Д 015.08.01 при Физико-техническом институте имени С.В.Стародубцева АН РУз по адресу: Ташкент, ул. Бодомзор йули 2 Б.

Тел.: (+998 71) 233-12-71

Факс: (+998 71) 235-42-91. e-mail: Karimov@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ АН РУз и Фундаментальной библиотеке АН РУз.

Автореферат разослан «___»_______2010 г.

Учёный секретарь

специализированного совета,

д.ф.-м.н. профессор Каримов А.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Как известно, на основе переходов металл - полупроводник (МП) и металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) создаются современные микросхемы и электронные компоненты. В таких МП и МДП структурах, состояние поверхности полупроводника, его однородность и фазовый состав играют определяющую роль в формировании контактов.

В настоящее время, в исследовательских работах проявляется большой интерес к объёмным кристаллам Si1-xGex, вызванный возможностью изготовления более совершенных приборов на их основе. Такие преимущества как быстродействие, низкий уровень шумов, радиационная стабильность и т.п., сплава Si1-xGex по сравнению с кремниевыми аналогам дали толчок исследованию возможностей изготовления приборов в ядерной спектрометрии как в качестве детекторов ядерного излучения [1], так и в качестве датчиков тепловых нейтронов [2], и в рентгеновской дифрактометрии [3]. Очень эффективны, по мнению авторов [4], Si1-xGex высокотемпературные термоэлементы. Кроме этого, многие электрофизические характеристики материала, важные для изготовления пленочных полупроводниковых структур, определяются экспериментально в объёмных кристаллах сплава Si1-xGex. Объёмные поли- и моно - кристаллы твердых растворов Si1-xGex дают возможность проводить фундаментальные исследования во всем интервале составов, так как объемные монокристаллы твердых растворов хорошего качества получены только для системы Si1-xGex. В связи с этим, задача - получение и исследование свойств объёмных кристаллов сплава Si1-xGex и приборных структур на их основе является актуальной.



Известно что, Si1-xGex полупроводниковые напряженные слои, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), в настоящее время стали получать весьма широкое распространение в качестве материалов для изготовления СВЧ-приборов и интегральных микросхем. В литературе имеются многочисленные работы, посвященные изучению свойств полупроводниковых напряженных слоёв, выращенных методом МЛЭ и барьеров Шоттки (БШ) на основе М-(МЛЭ)Si1-xGex [5,6]. Авторы работы [5] исследовали влияние содержания германия на высоту этого барьера и пришли к выводу, что в М-(МЛЭ)Si1-xGex структурах высота энергетического барьера БШ Ir-Si1-xGe, Pt- Si1-xGe, Pd-Si1-xGe и Fe-Si1-xGe уменьшается с ростом содержания германия в сплаве в интервале составов 0<x<0,25, и изменяется от 0.69 эВ до 0.54 эВ. Однако, в литературе отсутствует информация по исследованиям БШ на основе объемных твердых растворов Si1-xGex.

Ранее [1] была показана возможность изготовления детекторов ядерного излучения с БШ Au-i-Si1-xGex на основе объёмных твердых растворов Si1-xGe (0<x<0,1), которые имеют скорость счета бета частиц в 3 раза большую, чем их кремниевые аналоги. При этом компенсированный литием полупроводниковый материал должен обладать высокой степенью компенсации и достаточно большим временем жизни носителей, чтобы на основе этого материала можно было изготовить p-i-n детекторы. Высота энергетического барьера в этих структурах была ~1эВ. Предполагалось, что такая высота может быть связана с пассивацией поверхностных состояний. Следует отметить, что наивысшая высота барьера ~0,80,97 эВ на n и p-Si, получены авторами работы [7] на поверхностно- барьерных детекторах. Анализ литературы показал, что информация по БШ Au-Si1-xGex на основе объемных кристаллов Si1-xGex, выращенных другими способами, отсутствует.

Известно, что различные химические или физические обработки применяются, для сглаживания микрорельефа поверхности, уменьшения или увеличения концентрации поверхностных состояний Nss, изменения спектра состояний Nss в запрещенной зоне и управления другими свойствами поверхности. В связи с этим работа, посвященная исследованию влияния содержания германия и поверхностных состояний, формируемых химической обработкой, на свойства металл-Si1-xGex переходов является актуальной.

Степень изученности проблемы. В последние годы были опубликованы многочисленные статьи, посвященные исследованию БШ М-Si1-xGex на пленках твердых растворов кремний-германий выращенных МЛЭ. Свойства этих БШ сильно отличаются от свойств БШ, изготовленных на основе массивных кристаллов Si1-xGex. Например, величина высоты барьера Au-Si1-xGex (~0.91 эВ), даже при близких к кремнию составах сильно отличается от Au-Si (~0.70.85 эВ, [8]).

Ранее, при исследовании контактов металл Au - полупроводник на основе твердых растворов кремний-германий, было установлено, что обогащение поверхности твердого раствора германием приводит к уменьшению концентрации поверхностных состояний (разумеется, при прочих равных условиях, так как это также сильно зависело от обработки поверхности). Очевидно, что наблюдаемый эффект уменьшения концентрации поверхностных состояний в твердых растворах не может наблюдаться для любых металлов. В частности, взаимодействие металлов с поверхностью полупроводника при температуре формирования контактов (при вакуумном термическом напылении контактов температура подложки достигает 3004000С) может существенно изменить свойства поверхности.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния различных химических обработок поверхности и содержания германия на свойства и характеристики контактов M-Si1-хGeх. Причем для уточнения факторов, влияющих на высоту барьера, здесь будут использованы различные металлы (золото, алюминий, титан и никель) для изготовления переходов М-Si1-хGeх.

Несмотря на перспективность твердых растворов Si1-хGeх, подробные исследования влияния содержания Ge на свойства контактов на основе объемных твердых растворов Si1-хGeх не проводились.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Работа выполнена в рамках фундаментальных исследований ФТИ АН РУз по проектам: ФПФИ №30-06 "Исследование влияния содержания германия на свойства барьеров Шоттки на основе твердых растворов Si1-xGex", № Ф.2-1-75 "Исследование физических основ технологии получения радиационно-стойких полупроводниковых материалов на основе сплава Si1-xGex и карбида кремния для изготовления полупроводниковых приборов" и ФА-Ф2-(Ф030+Ф096) «Выращивание твердых растворов на основе ZnS, ZnSe,ZnTe, GaSb, SiGe, SiC и их фотоэлектрические и люминесцентные свойства».

Цель исследования. Основной целью настоящей работы является исследование свойств контактов металл-Si1-xGex в зависимости от типа металлов, с учетом содержания германия и поверхностных состояний в объемных твердых растворах Si1-xGex.

Задачи исследования.

1. Выращивание методом зонной плавки и исследование электрофизических параметров монокристаллов твердых растворов Si1-xGex ;

2. Исследование контактов Au-Si1-xGex, полученных на высокоомных кристаллах компенсированных золотом;.

3. Разработка технологии и изготовление контактов М-Si1-xGex на основе Si1-xGex, используя благородные (Au) и неблагородные (Al, Ni, Ti) металлы;

4. Измерение вольтамперных, вольтемкостных, спектральных и других характеристик контактов металл-Si1-xGex на основе Si1-xGex;

5. Изучение влияния содержания германия и различных технологических режимов обработки поверхности на свойства контактов металл-Si1-xGex на основе Si1-xGex.

Объект и предмет исследования: объектом исследования являются Si1-хGeх монокристаллы и контакты М-Si1-xGex, на основе Al, Au, Ni и Ti. Предметом исследования является изучение механизмов формирования барьера с учетом содержания Ge и поверхностных состояний в контактах М-Si1-xGex.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы следующие методы исследования: для выращивания кристаллов была использована установка электронно-лучевой бестигельной зонной плавки, рентгеновский микроанализ, метод модуляции проводимости, методы измерения вольтамперных, вольтемкостных и спектральных характеристик, стандартные электрофизические и фотоэлектрические методы, такие как: однозондовый и четырёхзондовый методы, метод Ван-Дер Пау, Холл эффект и др.

Гипотеза исследования. Высота барьера, определяется работой выхода, сродством к электрону и другими характеристиками материалов, а также поверхностными состояниями. Поверхностные состояния, в свою очередь, зависят не только от характера химической обработки поверхности, но и от взаимодействия атомов металла с полупроводником, которое существенно зависит от содержания германия в сплаве. Таким образом, сочетая химическую обработку и управление составом Si1-xGex монокристалла, можно в широких пределах управлять высотой потенциального барьера контакта металл-полупроводник.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Особенности технологии получения монокристаллов Si1-xGex с диаметром ~10 мм и содержанием германия до 35 aт.%, достаточно повышенным временем жизни неосновных носителей и низкой плотностью дислокаций. Показано, что атомы Ge в кристаллах Si1-xGex распределены равномерно и нет включений второй фазы.

2. Зависимости высоты БШ на основе Au и Al от состава твёрдого раствора. Она резко меняется при малых составах (x<0.02), а затем практически остается неизменной.

3. Особенности электрофизических свойств контактов Ni-Si1-xGex, которые не описываются известными выражениями для ВАХ и ВЕХ барьеров Шоттки, из-за промежуточного слоя (германида никеля).

4. Корреляция высоты барьера Металл(Au, Al и Ti )-Si1-xGex (изготовленных на поверхности твердого раствора с различной плотностью поверхностных состояний) с плотностью поверхностных состояний и содержанием германия.

Научная новизна:

1.Выращены однородные монокристаллы сплава Si1-xGex методом электронно-лучевой бестигельной зонной плавкой (БЗП) с низкой плотностью дислокаций (~102 104 cм-2) и с высоким временем жизни (~600 мкс) неосновных носителей.

2.Впервые получены данные по контактам металл-Si1-xGex на основе золота, алюминия, титана и никеля изготовленных на поверхности объемных монокристаллов твердых растворов Si1-xGex с различной плотностью поверхностных состояний.





3.Впервые исследовано влияние различных химических обработок поверхности твердого раствора на свойства контактов металл-Si1-xGex, полученных термическим напылением в вакууме при температуре подложки 300400°С.

Научная и практическая значимость результатов исследования. Полученные в работе экспериментальные результаты по получению БШ М-Si1-xGex на основе объемных твердых растворов Si1-xGex, по влиянию содержанию германия на пассивацию поверхностных состояний представляют интерес для физики полупроводниковых твердых растворов. Полученные данные по влиянию содержания германия на высоту БШ М-Si1-xGex и др. могут быть использованы при изготовлении полупроводниковых приборов, в частности детекторов ИК и ядерного излучения на основе сплава кремний-германий.

Реализация результатов. Часть полученных результатов использована при выполнении исследований радиационной стойкости и электрофизических свойств приборов на основе сплава Si1-хGeх облученных нейтронами, электронами и рентгеновскими квантами.

Апробация работы. Результаты работы были апробированы на республиканских и международных конференциях: “International Conference on Magnetic and Superconducting Materials-MSM07”, 25th-30th September, (Khiva,Uzbekistan,2007), “Фундаментальные и прикладные вопросы физики» (Ташкент, 2003), «Материалы конференции молодых учёных посвященной 60-летию Академии наук республики Узбекистан» декабрь (Ташкент, 2003), «Наука Каракалпакстана: вчера, сегодня, завтра», 19-20 ноябрь (Нукус, 2009) и объединенном семинаре Специализированного совета при ФТИ АН РУз.

Опубликованность результатов

По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 6 статьей и 6 тезисов. Опубликованные материалы полностью отражают основное содержание работы.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных работ и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации 120 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 119 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы и научная новизна проведённых исследований, сформулированы её цель и задача, приведены основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе, литературном обзоре, рассмотрены особенности получения твердых растворов Si1-xGex различными методами, описана технология выращивания монокристаллов методом электронно-лучевой БЗП. Приведены основные электрофизические свойства, описаны приборные структуры и БШ на основе Si1-хGeх. Показано, что существует значительный пробел в экспериментальных данных по контактам металл- Si1-хGeх. Сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе описана технология выращивания монокристаллов методом электронной -лучевой БЗП. Монокристаллические слитки чистого Si и Si1-хGeх выращивались от затравок из монокристаллического кремния с ориентацией <111> со скоростью роста ~0.5·10-40.8·10-4 см/сек. При этом скорость вращения нижнего штока составляла ~3.5·10-2 об/сек.

Как известно, для получения бесдислокационных кристаллов необходимо применять повышенные скорости роста. Увеличивая скорость роста, мы снижали плотность дислокаций в монокристалле. Однако, в случае выращивания монокристалла твердого раствора скорость роста лимитируется согласно выражению [9]:

, (1)

здесь f - скорость роста, Dl - коэффициент диффузии Ge в жидкой фазе, Cl,s -содержание Ge в жидкой и твердой фазах, Gт=dT/dx градиент температуры у фронта кристаллизации.

Таким образом, из-за ограничения скорости роста, получение бездислокационных монокристаллов Si1-хGeх с большим содержанием германия практически невозможно.

Исследовано распределение удельного сопротивления и времени жизни неосновных носителей тока в твердых растворах Si1-хGeх. Для выращивания были использованы материалы: Ge марки ГДГ с ~0,140 Омсм (собственное Ge ~46 Омсм при 20oС), Si марки КДБ (КЭФ) с различными ~0,11 кОм (собственное ~260 кОмсм при 20oС), а также, заготовки и затравочные монокристаллы (Si и Ge) высокого качества, предоставленные Институтом роста кристаллов (IKZ, Берлин, Германия). Показано, что в исследованных кристаллах снижение сопротивления связано с фоновыми примесями в германии, а не в кремнии. Время жизни неосновных носителей тока в твердом растворе растет с увеличением содержания Ge из-за снижения температуры жидкой фазы, в результате чего падает растворимость фоновых глубоких примесей, которые определяют время жизни носителей тока.

В данной главе, также приведены параметры выращенных кристаллов. На основе данных рентгеновских лауэграмм и рентгеновского микроанализа сделан вывод о достаточно высоком структурном совершенстве монокристаллов и об отсутствии включений второй фазы.

В главе 3 исследованы ВАХ, ВЕХ контактов M-Si1-хGeх (М-Au, Al, Ti, Ni). Описана технология изготовления структур: после стандартной механической и химической обработки монокристаллические шайбы Si1-хGeх подвергались специальной химической обработке. Для получения поверхности с относительно малой концентрацией поверхностных состояний, кристаллы травились в смеси НF:HNO3:CH3COOH (1:3:1) при температуре ~300С, в течении 5 минут при активном перемешивании (1 тип химической обработки) [10].

Для получения поверхности с увеличенной концентрацией поверхностных состояний кристаллы травились в смеси НF:HNO3:CH3COOH (1:3:1) при температуре ~700С в течении 5 минут (2 тип химической обработки).

Металлические пленки на поверхность Si1-хGeх образцов наносились способом термического напыления в вакууме 10-510-7 Торр., на стандартной установке ВУП-4. Температура подложки при напылении контактов была около 300400°С.

Для оценки влияния высокого удельного сопротивления на высоту БШ были исследованы БШ Au-Si1-хGeх, изготовленные на основе высокоомного твердого раствора, полученного путем компенсации глубокой примесью золота. Компенсация исходных р-образцов производилась путем диффузии в течении 1 часа при температурах 850°С, 900°С, 950°С, 1000°С, 1050°С и 1100°С с последующей закалкой путем сброса в масло (103 град/сек) и на свободную поверхность (102 град/сек). Показано, что оптимальной температурой процесса для достижения высокой компенсации образцов сплава золотом является интервал 10001050oС.

Высота барьера на образцах Au-Si1-хGeх <Au>, составила около 0,75 эВ, что значительно ниже, чем в БШ на основе высокоомного Au-Si1-хGeх<Li>. Таким образом, можно предположить, что величина удельного сопротивления материала незначительно влияет на высоту БШ.

Исследованы обратные вольтамперные характеристики M-Si1-хGeх структур на основе сильно компенсированных твердых растворов Si1-хGeх.

Известно, что обратный ток для структур с большим размером обедненной области W:

, (2)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.