Рисунок 2.4 — Схема реконструкционного перехода (4×2)β - (2×4)β поверхности InAs. Большие кружки — атомы As, малые кружки — атомы In.
Поверхностная реконструкция InAs (100) зависит от относительного количества In и As на поверхности: индий-обогащенная поверхность испытывает (4×2)/c (8×2) реконструкцию, As-обогащенная поверхность испытывает (2×4) реконструкцию [14]. Образование димеров является способом уменьшения энергии, связанной с оборванными связями на поверхности. В арсениде индия (100) ковалентные связи являются активными участниками процессов, происходящих на поверхности. В настоящее время наиболее приемлемая модель структуры (4×2)/c (8×2) предложена в [1]. Модель (в оригинале для InSb) представлена на рисунке 2.5 и содержит приповерхностные димеры In, верхний слой обычно обладает симметрией (4×1). Атомы мышьяка образуют 2 независимые цепочки в направлении (110): одну с атомом As in bulk position, а другую — где атом As смещен from bulk position. Таким образом, атомы In, связанные с As, смещаются ниже и приближаются к соседним атомам In, образуя димер In-In во втором подслое.
Рисунок 2.5 — Структурная модель поверхности InSb и InAs (100).
с (8×2) [6].
Реконструкция поверхности приводит к появлению большой плотности неподвижного положительного заряда, сосредоточенного в нескольких (2−3) монослоях вблизи поверхности. Это, в свою очередь, вызывает приток и накопление соответствующего отрицательного заряда из подвижных электронов для обеспечения условия электронейтральности в термодинамическом равновесии. Плотность поверхностного заряда оказывается столь велика, что приводит к так называемому «пиннингу» (связыванию) уровня Ферми на поверхности полупроводника.
Многочисленными исследованиями установлено, что арсенид индия nтипа имеет отличное от большинства полупроводников — положительное — значение потенциала на поверхности. На рисунке 2.6 приведено сравнение поведения электростатического потенциала и потенциальной энергии дна зоны проводимости для типичного «правильного» полупроводника (n-GaAs) и «аномального» n-InAs.
Рисунок 2.6 — Сравнение n-GaAs и n-InAs: а — энергия дна зоны проводимости, б — профиль электростатического потенциала вблизи поверхности.
Проблемы измерения вольт-фарадных характеристик n-InAs.
Ключевой характеристикой любого полупроводника является распределение концентрации легирующей примеси и основных носителей заряда. Контроль и управление этими параметрами обеспечивают получение заданных свойств полупроводникового прибора. Среди существующих методов контроля концентрации наиболее эффективным и распространенным методом является емкостная спектроскопия, в частности, метод вольт-фарадных характеристик. Он заключается в регистрации изменяющейся емкости полупроводника в зависимости от приложенного напряжения и в последующем дифференцировании этой зависимости.
Применительно к профилированию полупроводников под емкостью обычно понимается барьерная емкость полупроводника, формируемая областью объемного заряда (ООЗ) под барьером Шоттки или у p-n перехода. Такой обедненный подвижными носителями заряда слой содержит распределенный фиксированный пространственный заряд ионов. Когда прикладываемое к диоду смещение увеличивается на ΔV, ширина обедненной области увеличивается, вызывая увеличение пространственного заряда dQ и соответствующее изменение барьерной емкости Cбар, количественно определяемой как (S — площадь барьера).
(2.1).
В структуре с барьером Шоттки на n-GaAs при нулевом смещении уже имеется область объемного заряда (а, следовательно, и барьерная емкость), и обратное смещение будет увеличивать ее ширину, рисунок 2.
7. Край области объемного заряда соответствует координате вольт-фарадного профилирования. При увеличении приложенного смещения объемный заряд увеличивается, увеличивается ширина ООЗ, сдвигается координата границы ООЗ и тем самым обеспечивается измерение концентрационного профиля.
В соответствии с вышеописанным, на n-InAs оказывается невозможным получение выпрямляющего барьера Шоттки. При нулевом смещении в полупроводнике под напыленным металлом из-за обогащения поверхностного слоя подвижными электронами ООЗ (понимаемой как область нескомпенсированного заряда атомных остовов) не существует. С увеличением соответствующей полярности приложенного смещения (отрицательного к n-InAs) (рисунок 2.7) непосредственно под барьером возникает тонкий слой ООЗ и начинает расширяться от самой поверхности, вытесняя исходный приповерхностный заряд подвижных электронов за счет приложенного напряжения. Заметим, тем не менее, что измеритель может регистрировать емкость (строго говоря, не барьерную), которая просто характеризуется формулой 2.1 как изменение полного заряда в приповерхностной области. Границей ООЗ можно считать точку пересечения потенциала с нулем или близкое к нему положение минимума.
Рисунок 2.7 — Изменение энергии дна зоны проводимости вблизи поверхности n-GaAs и nInAs в зависимости от приложенного напряжения.
Стационарное состояние с точки зрения электронейтральности может быть рассчитано с применением теоремы Гаусса, согласно которой количество заряда в замкнутой системе связано с напряженностью электрического поля на поверхности (на барьере Шоттки) Fs соотношением:
(2.2).
Если принять во внимание, что напряженность электрического поля в области электронейтральности (на противоположной границе полупроводниковой структуры) равняется нулю, тогда для одномерной системы выражение 1,3 преобразуется к виду:
(2.3).
Таким образом, в случае n-GaAs все время измеряется корректная объемная концентрация подвижных носителей заряда на границе расширяющейся ООЗ. В случае n-InAs с инверсным поведением поверхностного потенциала граница ООЗ в C-V измерениях проходит в непосредственной близости от поверхности по участку, соответствующему сильному обогащению концентрации электронов у поверхности. Поэтому наблюдаемый профиль концентрации основных носителей заряда в методе C-V для n-InAs должен выглядеть как уменьшающаяся в глубину и выходящая на полку зависимость. Значение концентрации на этой полке будет теоретически соответствовать истинной объемной концентрации основных носителей заряда, однако в реальном эксперименте этот предел не часто может быть реализован из-за наступления пробоя. Альтернативой традиционному методу C-V характеристик может служить метод электрохимического C-V профилирования (ECV), в котором в процессе измерений происходит травление поверхности полупроводника.
Заключение
.
Следовательно, можно подвести следующие итоги.
Проблема измерения концентрации носителей заряда заключается в том, что граница ООЗ в C-V измерениях проходит в непосредственной близости от поверхности по сильно обогащенному концентрацией электронов участку. Поэтому необходимо разрабатывать методы, адекватные для данного материала.
Для структур барьер Шоттки-арсенид индия стандартным методом ВФХ измерены концентрационные профили основных носителей заряда.
Таким образом, цель, поставленная в настоящей работе, достигнута, а задачи работы выполнены.
Список литературы
Адаскин, А. М. Материаловедение и технология полупроводниковых материалов: Учебное пособие / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. — М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. — 336 c.
Батышев, А. И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / А. И. Батышев, А. А. Смолькин. — М.: ИНФРА-М, 2012. — 288 c.
Безпалько, В. И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / Под ред. А. И. Батышев, А. А. Смолькин. — М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. — 288 c.
Бондаренко, Г. Г. Основы физического материаловедения: Учебник / Г. Г. Бондаренко. — М.: Бином, 2014. — 760 c.
Захаров, А. Ю. Теоретические основы физического материаловедения. Статистическая термодинамика модельных систем: Учебное пособие / А. Ю. Захаров. — СПб.: Лань, 2016. — 256 c.
Родионова Н.А., Шмидко И. Н., Родионов Е. В. / Оптические характеристики пленок оксида хрома, полученных по МОС технологии / Research Journal of International Studies, Екатеринбург, № 7 (38), 2015 г., С.40−43.
Родионова Н.А., Шмидко И. Н., Родионов Е. В. / Механические свойства пленок оксида хрома в зависимости от технологических факторов / Research Journal of International Studies, Екатеринбург, № 7 (38), 2015 г., С.44−46.
Сироткин, О. С. Основы инновационного материаловедения: Монография / О. С. Сироткин. — М.: ИНФРА-М, 2011. — 158 c.
Храмцов, Н. В. Основы полупроводникового материаловедения / Н. В. Храмцов. — М.: АСВ, 2011. — 240 c.
