Авторефераты диссертаций >> Влияние содержания германия и поверхностных состояний на свойства переходов металл - si1-xgex, на основе al, au, ni и ti
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 Ранее [1] была показана возможность изготовления детекторов ядерного излучения с БШ Au-i-Si1-xGex на основе объёмных твердых растворов Si1-xGe (0 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
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 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]: 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 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:
, (1)
, (2)
