CC BY
84
УДК 538.935
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА In2Te3 И In2xGa 2(i-x)Te3
В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ InAs
Н.Н. БезрядиН, Е.А. Михайлюк, А.В. Буданов, Т.В. Прокопова
В статье приведены результаты исследования механизма токопрохождения в гетероструктурах: 1) 1п2Те3/1пАз, полученных методом гетеровалентного замещения и напылением из независимых источников; 2) 1п2хОа 2(1-Х)Те3/1пА8, полученных напылением из независимых источников. Анализ ВАХ позволяет определить механизм токопрохождения в исследованных гетероструктурах: при отрицательном прикладываемом напряжении он соответствует модели токопрохождения, ограниченного пространственным зарядом; при положительном напряжении - механизму Пула -Френкеля. Анализ температурных зависимостей дифференциальной проводимости позволяет оценить параметры глубоких центров локализации зарядов в слоях полупроводников А2ШВ3¥1
Ключевые слова: гетероструктуры А2шВз¥1/АшВ¥, дифференциальная проводимость
Хорошее соответствие постоянных кристаллических решеток 1п2Те3 (а0 ~ 0,616 нм) и 1пА8 (а0 ~ 0,606 нм) предопределяет возможность формирования границы раздела между этими материалами с низкой плотностью поверхностных состояний. Теллурид индия относится к классу соединений со стехиометрическими вакансиями с кристаллической структурой типа сфалерита. Это обусловливает низкие значения концентраций основных носителей и центров локализации заряда [1, 2].
Исследование тонких слоев теллурида индия на подложках из 1пА8 представляет интерес в связи с возможностью использования их в качестве подзатворного слоя в полевых гетероструктурах на основе арсенида индия.
Слои 1п2Те3 с толщиной 0,1 1,5 мкм получали методом гетеровалентного замещения (ГВЗ) и методом напыления из независимых источников [3, 4]. Показано, что граница раздела в гетероструктуре 1п2Те3/1пА8, полученной методом ГВЗ, имеет существенные структурные нарушения (рис.1 б). При получении гетероструктур 1п2Те3/1пА8 и 1п2хОа2(1-Х)Те3/1пА8 (х ~ 0,65) методом напыления из независимых источников граница раздела более однородная и не содержит видимых микродефектов (рис.1 а, в, соответственно) Подложки 1пА8 полировались в смеси кислот НБ, НК03, Н^04 [3]. Состав
Безрядин Николай Николаевич - ВГУИТ, д-р физ.-мат.
наук, профессор, e-mail: [email protected]
Михайлюк Екатерина Андреевна - ВГУИТ, аспирант,
e-mail: gazon 1978@vandex. ru
Буданов Александр Владимирович - ВГУИТ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected] Прокопова Татьяна Владимировна - ВГУИТ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected]
слоев, полученных данными методами соответствует стехиометрии соединения 1п2Те3 [5]. Методами электронографии установлено, что получаемые слои имеют
монокристаллическую структуру отвечающую а - фазе 1п2Те3 с упорядоченными вакансиями [1].
В качестве контакта к слою 1п2Те3 использовался напыленный через маску А1, площадью ~ 0,3 мм2. Исследования электрофизических свойств слоев поводились методами температурной зависимости дифференциальной проводимости в диапазоне частот тестового сигнала в интервале (^ 20 Гц
- 2 МГц, температур 90 К - 400 К и вольтамперных характеристик (ВАХ). Толщина слоев (ё) измерялась по сколу в растровом электронном микроскопе типа РЭМ
- 200 или по ступеньке в интерференционном микроскопе типа МИИ - 4 [5]. Относительная диэлектрическая проницательность слоя 1п2Те3 определена из измерений высокочастотной (2 МГц) емкости структуры на основе сильнолегированного 1пА8 при Т ~ 90 К и составляет е ~ 12 [3]. Термодинамическая работа выхода (%) поверхности образцов до и после напыления пленок контролировалась методом Кельвина по контактной разности потенциалов относительно платинового электрода с точностью ~ 0,1 В. Величина % на исходной поверхности р - 1пА8 составляла ~ 4,3 В, а после напыления слоя ~ 4,6 В. Ив пределах точности измерений не зависела от толщины слоя 1п2Те3. Сравнивая полученные значения % с величиной электронного сродства 1пА8 (~ 4,54 В [6]) и учитывая, что при концентрации основных носителей более 1016 см-3 в п - типа арсениде индия термодинамическая работа выхода больше электронного сродства на ~ 0,1 В, а в р - типе на ~ 0,3 В, можно заключить что в случае 1пА8
п-типа его поверхность сильно обогащена электронами, а в случае р - типа находиться в состоянии инверсии. Этот факт соответствует известным данным об электронных процессах на поверхности арсенида индия [7]. Нанесение слоя 1п2Те3 на 1пЛз п - типа увеличивает % до значения, примерно соответствующего термодинамической работе выхода 1пЛз без учета поверхностных эффектов. Поскольку получаемое значение % не зависит от толщины слоя (в диапазоне толщин 0,05 ^ 1,0 мкм) можно сделать вывод о близости значений невозмущенной поверхности
термодинамической работы выхода 1пЛз п -типа и термодинамической работы выхода 1п2Те3. С учетом погрешности в определении % можно считать, что при существующем различии термодинамических работ выхода контактирующих материалов значения изгибов зон в 1п2Те3 и 1пЛз п - типа на границе раздела не должно превышать 0,1 В. Кроме того, металлы с термодинамической работы выхода менее 4,4 В должны обеспечивать инжектирующий контакт к 1п2Те3.
Рис. 1. Микрофотография поперечного излома гетероструктуры а) 1п2Те3 - 1пЛб полученной методом напыления из двух независимых источников 1п и Те; температура в процессе Тп=340 0С, испарителя ТТе = 340 0С, Т1п=930 0 С, РТе= 1 Па, время процесса 1=30 минут б) 1п2Те3 полученной методом ГВЗ; температура в процессе Тп=410 0С, испарителя ТТе=400 0С, РТе= 5 Па, время процесса 1=45 минут в) 1п2хОа 2(1-х)Те3 полученной методом напыления из независимых источников 1п, Оа и Те; температура в процессе Тп=360 0С, испарителя ТТе=310 0С, Т1пОа= 950 0С, РТе= 10-3 Па, время процесса 1=2 часа
б)
Х2Й, ййй 11013
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики гетероструктуры Л1/1п2Те3 - 1пЛб, полученной методом ГВЗ, при отрицательном потенциале на Л1 (а) с различной толщиной слоя 1п2Те3:: 0,8 мкм - кривая 2 и 0,6 мкм - кривая 1; и при положительном потенциале (б) с
толщиной 0,8 мкм в координатах 12 I от ^У
Действительно, ВАХ гетероструктуры зависят от полярности прикладываемого внешнего напряжения (рис. 2 а, б), причем ветвь ВАХ при отрицательном потенциале на Л1 электроде (рис. 2 б) соответствует большим уровням тока и хорошо описывается в рамках механизма токов, ограниченных
пространственным зарядом (ТОПЗ) [8]. Доказательством этого является наличие характерных для ТОПЗ участков зависимости тока от внешнего напряжения (рис. 2 а, б) и кубическая зависимость тока на квадратичном участке ВАХ от величины ё (рис. 3).
Температурная зависимость тока при напряжении, соответствующем омическому участку ВАХ (рис. 4, кривая 1) в области температур более 200 К подчиняется экспоненциальной зависимости вида ехр (-ДЕ/кТ) с величиной ДЕ ~ 0,49 эВ. Это значение ДЕ может быть обусловлено активацией собственных носителей заряда в слое 1п2Те3, поскольку соответствует половине значения термической ширины запрещенной зоны (~ 1,0 эВ [1]).
Рис. 3. Зависимость тока от толщины слоя 1п2Те3 при напряжении, соответствующем квадратичному участку ВАХ типа кривой 1 рис. 2 а. Т=300 К, У= -1 В
Однако, из анализа температурной зависимости тока в области Т>230 К при напряжениях, соответствующих
положительному потенциалу на Л1 контакте (рис. 4, кривые 2, 3) получается значения ДЕ ~ 0,56 эВ. В диапазоне температур 160 + 220 К при положительном потенциале на контакте Л1 - 1п2Те3 величина ДЕ зависит от внешнего приложенного напряжения (рис. 4, кривые 2,
3).
По экстраполяции зависимости ДЕ от У к У=0 получается значения ДЕ ~ 0,5 эВ (рис. 4, кривая 4). В этом же интервале температур и напряжений ВАХ линейна в координатах 12 I
1/2
от У1/2 (рис. 2 б), что может быть следствием токопрохождения в гетероструктуре по механизму Шоттки или Пула - Френкеля [9]. Лучшее совпадение экспериментального и теоретически рассчитанного наклона ВАХ (рП. Ф) в координатах 12 I от У1/2 для механизма
Пула - Френкеля (2,1 В-1/2 и 0,9 В соответственно), чем Шоттки ß^1 ßn_Ф (2,1
-4-1 /2
В-1/2 и 0,45 В-1/2, соответственно) свидетельствует в пользу механизма Пула -Френкеля. Таким образом, величина ДЕ ~ 0,5
-1/2
эВ, определенная из температурных зависимостей тока при положительном потенциале на контакте из Л1 (рис. 4, кривые 2, 3 и 4) соответствует донорному центру с энергией ~ 0,5 эВ. Этот же центр определяет температурную зависимость тока при Т > 200 К и отрицательном потенциале на контакте из Л1. Активация собственных носителей наблюдается только при положительном потенциале на Л1 электроде, поскольку в этих условиях опустошение донорного центра происходит при более низких температурах (~ 230 К), чем при отрицательном потенциале за счет понижения энергии активации центра электрическим полем.
Рис. 4. Зависимости тока в гетероструктурах Л1/1п2Те3 - 1пЛв с толщиной слоя 1п2Те3: 0,8 мкм (кривые 1, 2, 3) и с толщиной слоя 1п2Те3: 0,6 мкм (кривая 5) от температуры при значениях внешнего напряжения У (В): - 0,2; +0,2; +1,0; +0,4, соответственно, для кривых 1;2;3;5 (знак У по Л1 - контакту). На вставке приведена зависимость ДЕ от У1/2 в диапазоне температур 160 К ^ 220 К (кривая 4)
Отличие теоретического и
экспериментального значений наклона ß (0,9 и 2,1 соответственно, рис. 5) обусловлено, по-видимому, нелинейностью распределения потенциала в слое, что осложняет оценку теоретического значения ß. О нелинейности распределения потенциала в слое In2Te3 свидетельствует характер зависимости ёмкости гетероструктуры от частоты тестового измерительного сигнала и внешнего напряжения (рис. 6).
определялось по ёмкости структуры измеренной при Т ~ 90 К на частоте f = 2 МГц. Отметим, что вклад в полную дифференциальную проводимость структуры ёмкости ОПЗ в 1пА8, с концентрацией основных носителей более 1018 см-3 при толщинах слоёв 1п2Те3 более 0,1 мкм, и в данном случае не
незначительный учитывался.
Рис. 5. Зависимости коэффициента наклона ВАХ гетероструктур А1/1п2Те3 - 1пАб (1) и А1/1п2хОа 2(1-Х)Те3 (х ~ 0,65) - 1паб (2) при положительном потенциале на А1 -контакте от толщины напылённого слоя теллурида в
а-1/2
координатах 0 теоретической
от
Прямая
соответствует зависимости
0 =
Рп-Ф к
1/2
у яее0 а у
При толщинах слоев более 0,1 мкм вид С-V характеристик в диапазоне частот 102 ^ 103 Гц и положительном напряжении контакта подобен зависимостям С^) резкого несимметричного гетероперехода [9]. При частотах более 1 МГц ёмкость структуры соответствует геометрической ёмкости слоя
1п2Теэ (Сг) соотношением:
С
хорошо
= С 0
{юг)2 + Г
- постоянная
описывается
(1)
времени
где ю=2п^ т релаксационного процесса.
Такой характер зависимости видимо обусловлен включением ёмкости ОПЗ (С0) в слое 1п2Те3 последовательно с сопротивлением объема пленки Я0. Тогда эквивалентная схема всей структуры в этом диапазоне частот представляет собой параллельное соединение геометрической ёмкости слоя с последовательно соединенными Я0 и С0 , где в выражении (1) т=Я0С0.
^ ее0 £
Сг = —^ (2)
а
В рамках такой эквивалентной схемы по зависимости С(1) можно оценить величину Я0. В данном случае она составляет величину ~ 7 106 Ом, что с хорошей точностью совпадает со значением Я, полученном из ВАХ на омическом начальном участке (рис. 2). Необходимое для расчета значение Сг
Рис. 6. Вольт-фарадные характеристики гетероструктуры А1/1п2хОа 2(1-Х)Те3 - 1пАб (х ~ 0,65) (п -типа) с толщиной слоя теллурида ~ 0,4 мкм при различных частотах тестового сигнала: 103 Гц (кривая 1); 102 Гц (кривая 2)
Литература
1. Абрикосов Н.Г., Банкина В. Ф., Порецкая Л.В. и др. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе. М.: Наука, 1975. 220 с.
2. Кошкин В. М. Физика алмазоподобных полупроводников со стехиометрическими вакансиями // Некоторые вопросы химии и физики полупроводников сложного состава. Ужгород, 1970. - С. 26 - 35.
3. Шлык Ю.К., Моргунов В.Н., Щевелева Г.М., Безрядин Н.Н., Кузьменко Т.А.. Подготовка подложек 1паб и получение гетероперехода 1п2Те3 - 1паб в квазизамкнутом объеме // Полупроводниковая электроника. Межвуз. сб. - Воронеж: Изд-во ВГПИ, 1985. С. 5 - 11.
4. Махний В.П. Механизм образования гетероструктур при твердофазном замещении на основе соединений АПВ^ // Изв. АН СССР. Неорганич. материалы. - 1991. - Т.27, № 3 . С. 519 - 620.
5. Агапов Б.Л., Безрядин Н.Н., Моргунов В.Н., Шлык Ю. К. Исследование состава и электрических свойств тонких слоев теллурида индия на арсениде индия // Свойства нитевидных кристаллов и тонких пленок. Мезвуз. сб. Из-во. ВПИ. - 1986. - С. 86 - 93.
1
и
6. Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл - полупроводник: Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. 432 с.
7. Балагуров Л.А., Борковская О.Ю., Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Омельяновский Э.Н. Поверхностный потенциал и поверхностные состояния в монокристаллах 1пЛз // ФТП. 1976. Т. 10. № 6. - С. 1108 - 1114.
8. Грундман М. Основы физики полупроводников: Пер. с англ. - М.: Физматлит, 2012. 771 с.
9. Симмонс Д.Г. Прохождение тока сквозь тонкие диэлектрические пленки // Технология тонких пленок (справочник) / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга: Пер. с англ. Т.2. - М.: Сов. радио, 1977. - С. 345 - 400.
Воронежский государственный университет инженерных технологий
ELECTROPHYSICAL PROPERTIES In2Te3 AND In2xGa 2(1-x)Te3 IN HETEROSTRUCTURES BASED ON InAs
N.N. Bezryadin, E.A. Mikhailuk, A.V. Budanov, T.V. Prokopova
In the article the results of research of the mechanism of takeprofitline in heterostructures: 1) In2Te3/InAs obtained by the method of heterovalent substitution and evaporation from independent sources; 2) In2xGa 2l-1-x)Te3/InAs obtained by spraying from independent sources. Analysis of volt-ampere characteristics allows to determine the mechanism of takeprofitline in the investigated heterostructures: negative applied voltage corresponds models takeprofitline, limited spatial charge; at a positive voltage mechanism Poole - Frenkel. The analysis of the temperature dependences of the differential conductance allows to estimate the parameters of deep localization of charges in the layers of a semiconductor A2mB3VI
Key words: heterostructures A2IIIB3VI/AIIIBV, differential conductivity
