Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 10, стр. 81-87

ВВЕДЕНИЕ

Низкоэнергетические ионы Ar⁺ широко используют для приготовления атомно-чистой поверхности материалов, необходимой для их диагностики поверхностно-чувствительными методами в условиях сверхвысокого вакуума [1, 2]. Одним из наиболее распространенных среди этих методов является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) [3, 4]. Обычно считают, что ионная бомбардировка не изменяет свойства приповерхностного слоя по сравнению с объемными, и поэтому получаемая информация относится ко всему материалу. Это предположение основано на том, что ионное облучение не изменяет ближний порядок и, следовательно, химическое состояние атомов. Метод РФЭС в сочетании с ионным травлением широко используют для контроля элементного и химического составов полупроводников на основе GaAs, являющихся одними из наиболее распространенных в высокочастотной A^IIIB^V электронике [5]. Однако в недавнем исследовании фотоэлектронных спектров валентной зоны атомно-чистой поверхности полупроводника n-GaAs было обнаружено, что облученный ионами Ar⁺ слой толщиной несколько нм изменяет тип проводимости и становится p-слоем [6]. Этот эффект проявляется в сближении вершины валентной зоны с уровнем Ферми и происходит в результате преимущественного распыления атомов мышьяка, обогащения облученного слоя галлием и образования положительно заряженных Ga-антисайт центров в результате заполнения части вакансий мышьяка атомами галлия [7]. Обнаруженный эффект принципиально отличается от известных процессов формирования радиационно-индуцированных дефектов n-типа E1 (0.04 эВ), E2 (0.14 эВ) и других вблизи зоны проводимости, связанных с образованием вакансий мышьяка V_As и наблюдавшихся при воздействии на поверхность n-GaAs водородной [8, 9], гелиевой [10] и аргоновой плазмой [11], высокоэнергетическими α-частицами [12, 13], электронами [12, 14–16] и протонами [17, 18]. Формирование указанных дефектов не изменяло тип проводимости и увеличивало высоту барьера Шоттки при формировании диода Шоттки с предварительной обработкой поверхности n-GaAs плазмой.

Поскольку в работе [6] ионами Ar⁺ облучали полупроводник n-типа, был сделан вывод о ионно-стимулированном образовании p–n-структуры. Этот вывод подтвержден обнаружением сателлитных линий глубокого n-слоя в дополнение к основным фотоэлектронным линиям спектров Ga3d и As3d модифицированного p-слоя [7]. В результате исследования темновых вольт-амперных характеристик (ВАХ) облученного образца, на лицевую и обратную сторону которого были нанесены металлические контакты, обнаружен диодный эффект [19]. Однако связанные с малой толщиной облученного p-слоя жесткие температурные ограничения не позволили использовать стандартную процедуру нанесения омических контактов. Поэтому вопрос о свойствах структуры с контактами остался исследованным не в полной мере, особенно в части оценки степени омичности контактов и их возможного вклада в обнаруженный диодный эффект.

В настоящей работе приведены данные дополнительного эксперимента по исследованию темновых ВАХ ионно-модифицированной поверхности n-GaAs с более совершенными металлическими контактами. Исследование ВАХ контрольного образца и сравнение полученных экспериментальных данных с модельными расчетами, выполненными в программном пакете Silvaco Atlas [20], позволили сделать вывод о преимущественно омическом характере металлических контактов, созданных “холодным” способом, и связи наблюдаемого диодного эффекта с ионно-индуцированным p–n-переходом, а не с металлическими контактами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО- МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В качестве объекта исследования была использована пластина GaAs(100) n-типа (n = 1.25–2.50 × 10¹⁸ см^–3). Образец облучали ионами Ar⁺ с энергией E_i = 2500 эВ в сверхвысоком вакууме (~5 × 10^–10 торр) электронного спектрометра Leybold-AG. Плотность дозы облучения (флуенс) Q ~ 10¹⁵ см^–2 была достаточной для удаления слоя естественного оксида и формирования ионно-модифицированного p-слоя, расположенного на немодифицированном полупроводнике n-типа. Отсутствие кислорода в приповерхностном слое образца контролировали по спектрам OKVV оже-электронов.

Темновые ВАХ измеряли при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении на зондовой станции MDS с использованием источника-измерителя Keithly 2635. Для этого на обратную сторону облученного образца и обе стороны необлученного (контрольного) образца были нанесены усиленные золотом многослойные омические контакты по методике, изложенной в работе [21]. Металлические контакты общей толщиной не более 0.2 мкм наносили напылением в высоком вакууме (~5 × 10^–7 торр). Контакт AgMn–Ni–Au наносили на лицевую (p-типа) сторону образца, а контакт AuGe–Ni–Au – на тыльную (n-типа) и на обе стороны контрольного образца. В отличие от стандартной методики нанесения омических контактов, отжиг, увеличивающий адгезию, не проводили. Из-за термоиспарительных источников потоков атомов металлов температура образца отличалась от комнатной, но не превышала 100°C. “Холодное” нанесение металлических контактов исключало эффективную диффузию атомов металла в сверхтонкий p-слой и его металлизацию. Для уменьшения толщины остаточного оксидного слоя перед нанесением контактов поверхности облученной пластины подвергали химическому травлению и промывке. Интервал времени между промывкой и помещением образца в вакуум было сокращено по сравнению с нашим предыдущим экспериментом [19], что позволило уменьшить толщину слоя естественного оксида с обычных 2–3 нм [22–24] до 0.7 нм [23]. После нанесения контактов пластина была разрезана на установке дисковой резки на несколько образцов площадью 1–2 мм². Для целостности изложения данные настоящего эксперимента (эксперимент 2) с двумя опытными и одним контрольным образцами приведены в сравнении с данными ранее выполненного эксперимента [19] (эксперимент 1) с тремя опытными и контрольным образцами. В обоих экспериментах контакты наносили “холодным” способом.

Моделирование ВАХ образцов с описанной выше структурой было выполнено с помощью программного пакета Silvaco Atlas TCAD [20]. В расчетах использовали модели безызлучательной рекомбинации Шокли−Рида−Холла [25, 26], сужения ширины запрещенной зоны [27], а также статистику Ферми−Дирака. В применяемых моделях для GaAs при Т = 300 К были использованы параметры из работы [28].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Толщину модифицированного слоя, использованную при моделировании, оценивали по профилю распределения аргона, имплантированного в GaAs, и близкому к нему профилю точечных дефектов, образующихся при бомбардировке ионами Ar⁺ с энергий E_i = 2500 эВ, которые рассчитывали с помощью программы TRIM [29]. Следует отметить, что после облучения имплантированный аргон практически полностью покидает тонкий модифицированный слой, а остающиеся химически нейтральные атомы не влияют на свойства слоя [4]. Профиль плотности дефектов приведен на рис. 1 (сверху). За толщину p-слоя взята ширина распределения профиля концентрации имплантированного аргона на половине высоты d = 7.2 нм ~2R_P, где R_P – проекционная глубина, или глубина, соответствующая максимуму плотности имплантированных ионов. Из рис. 1 видно, что на глубине d плотность дефектов уменьшается на полпорядка. Как показали измерения профиля p–n-структуры методом фотоэлектронной спектроскопии с варьированием глубины зондирования [30], данная оценка оказалась весьма точной для слоя, облученного ионами Ar⁺ несколько меньшей энергии (E_i = = 1500 эВ). Поэтому показанная в нижней части рис. 1 идеализированная зонная диаграмма исследуемой p–n-структуры с переходом в области d ~ 7 нм представляется близкой к реальной. Пунктирной прямой обозначено положение уровня Ферми. В приповерхностной области, где концентрация имплантированных ионов высока, к уровню Ферми примыкает “вершина” валентной зоны, а в глубоком слабо модифицированном слое – “дно” зоны проводимости. Резкий по сравнению с шириной профиля p–n-переход формируется в узкой области, в которой концентрация ионно-индуцированных акцепторов начинает превышать плотность исходной легирующей n-примеси (Si) [7, 30].

Рис. 1.

Профиль распределения плотности точечных дефектов, образующихся при бомбардировке GaAs ионами Ar⁺ с энергий E_i = 2500 эВ (верхняя часть) в сопоставлении с идеализированной зонной диаграммой p–n-структуры, образованной на поверхности n-GaAs бомбардировкой ионами Ar⁺ (нижняя часть). Центр области p–n-перехода отмечен вертикальной линией на уровне d = 2R_P, где R_P – проекционная глубина, соответствующая максимальной концентрации имплантированных ионов.

На рис. 2 показаны темновые ВАХ трех структур из серии ионно-модифицированных образцов p–n-GaAs, которые были получены из одной пластины в эксперименте 1 [19]. Для прямой ветви ВАХ характерен экспоненциальный рост, а разница токов в прямом и обратном направлениях достигает двух порядков. В то же время прямая и обратная ветви ВАХ контрольного образца n-GaAs совпадают по величине. Эти данные свидетельствуют о наличии диодного эффекта в исследуемой структуре. Таким образом, было установлено, что p–n-структура, сформированная бомбардировкой поверхности n-GaAs низкоэнергетическими ионами Ar⁺ и снабженная “холодными” металлическими контактами, демонстрирует ярко выраженный диодный эффект. Однако данные эксперимента 1 [19] характеризуются недостаточной воспроизводимостью и узкой (до 0.1–0.15 В) областью экспоненциального роста. Ряд образцов оказался неудачным из-за отслаивания металлического слоя или плохого контакта с ним. ВАХ контрольного образца существенно отклонялась от линейной зависимости, а анализ ВАХ опытных образцов не был подкреплен расчетами.

Рис. 2.

Темновые ВАХ серии (1–3) ионно-модифицированных образцов и необлученного n-GaAs (4) по данным эксперимента 1. Экспериментальная (4) и модельная (5) ВАХ необлученного n-GaAs уменьшены в 500 раз.

Выполненный в настоящей работе эксперимент 2 лишен многих из перечисленных недостатков благодаря более совершенной технологии “холодного” нанесения контактов, включавшей дальнейшее уменьшение толщины оксидного слоя. На рис. 3 приведены темновые ВАХ двух опытных образцов в сравнении с ВАХ контрольного образца n-GaAs (точки). Видно (рис. 3а), что отношение величин прямого и обратного токов в ионно-модифицированных образцах достигает трех порядков в значительно более широкой области напряжений, простирающейся до 0.7 В (рис. 4). В то же время ветви ВАХ контрольного образца совпадают. ВАХ двух исследованных образцов (рис. 3а, кривые 3 и 4) свидетельствуют об удовлетворительной воспроизводимости. Таким образом, в эксперименте 2 ионно-модифицированные образцы показали еще более сильный диодный эффект в значительно более широкой области напряжений, а контрольный образец – нет. Более широкая область диодного эффекта, по-видимому, связана с лучшей адгезией металлического слоя с лицевой поверхностью исследуемых образцов и косвенно свидетельствует о формировании p–n-перехода, а не диода Шоттки, для которого типичная область напряжений прямой ветви, как известно, в 2–3 раза уже. Однако ВАХ контрольного образца заметно отличается от расчетной линейной зависимости омического контакта, также показанной на рис. 3а (кривая 2). Поэтому эти ВАХ необходимо рассмотреть более подробно в линейном масштабе.

Рис. 3.

Темновые ВАХ омического контакта для n‑GaAs (1, расчет), контрольного необлученного образца n-GaAs (2) и опытных облученных образцов (3) и (4) в полулогарифмическом (а) и линейном (б) масштабах на основе данных эксперимента 2. Кривая 3 в линейном масштабе (б) увеличена в 50 раз для удобства сравнения.

Рис. 4.

Прямые ветви темновых ВАХ опытного облученного образца (3) и модельные ВАХ p-n GaAs перехода (4), двух включенных навстречу барьеров Шоттки на n-GaAs (1) и омического контакта на n-GaAs (2) в полулогарифмическом (а) и линейном (б) масштабах на основе данных эксперимента 2.

Приведенное на рис. 3б сравнение в линейном масштабе ВАХ контрольного образца n-GaAs (треугольники) с расчетной линейной зависимостью для соответствующего омического контакта (сплошная линия) показывает, что зависимости существенно отличаются в области малых напряжений (U < 0.1 В), а при увеличении напряжения выше порогового значения (U > 0.1 В) экспериментальная ВАХ может быть описана практически линейной зависимостью (пунктирная линия). Отклонение ВАХ контрольного образца от линейной зависимости в области малых напряжений, очевидно, связано с наличием тонкого остаточного слоя естественного оксида, который не исчезает без отжига контактов. Отражение электронов от барьера оксидного слоя резко уменьшает ток в области ниже порога U = 0.1 В. Однако малая толщина оксидного слоя (~0.7 нм [23]) обеспечивает достаточно эффективное туннелирование электронов, ускоренных напряжением U > 0.1 В.

Важной особенностью ВАХ контрольного образца является высокая плотность тока в области U > 0.1 В, достигающая значений омического контакта. Такое поведение ВАХ никак не может быть связано с формированием барьеров Шоттки на лицевой и обратной сторонах контрольного образца с образованием двух включенных навстречу Шоттки-контактов. В этом случае величина тока в обеих ветвях соответствовала бы обратной ветви ВАХ диода Шоттки. Плотностью такого тока была бы меньше наблюдаемой на 2–3 порядка, если взять в качестве ориентира обратную ветвь диодной ВАХ опытного образца (рис. 3) или расчетную ВАХ двух включенных навстречу диодов Шоттки, приведенную на рис. 4а (кривая 1). На последнем рис. 4 в полулогарифмическом масштабе показаны расчетные прямые ветви двух включенных навстречу барьеров Шоттки на n-GaAs (кривая 1) и омического контакта на n-GaAs (кривая 2). Из сравнения кривых 1 и 2 видно, что включенный навстречу барьер Шоттки уменьшает протекающий через него ток на несколько порядков. Поэтому формирование идеальных Шоттки-контактов можно исключить из анализа и сделать вывод о том, что контакты контрольного образца имеют в значительной мере омический характер.

Приведенные на рис. 3 прямая и обратная ветви ВАХ опытных образцов (кривые 3 и 4) также свидетельствуют об отсутствии ярко выраженных барьеров Шоттки и обусловленности наблюдаемого диодного эффекта ионно-индуцированным p–n-переходом. В самом деле, если бы металлические контакты сформировали барьеры Шоттки на какой-либо одной (p- или n-) или на обеих сторонах опытного образца, то во всех этих случаях направление ветвей ВАХ поменялось бы на противоположное: большой ток потек бы при отрицательном напряжении, что не соответствует экспериментальным данным.

Вывод об определяющей роли ионно-индуцированного p–n-перехода в формировании экспериментальной ВАХ подтверждается ее сравнением с модельной ВАХ. Обе кривые – экспериментальная (3) и расчетная (4) – показаны на рис. 4 в полулогарифмическом (а) и линейном (б) масштабах. Модельную ВАХ рассчитывали для показанной на рис. 1 p–n-GaAs структуры с омическими контактами. Экспериментальная ВАХ (кривая 3) демонстрирует экспоненциальную зависимость в широкой области напряжений (до 0.7 В), в которой есть два участка с различным наклоном. Наличие двух разных участков указывает на вклады двух разных механизмов токопрохождения. Поэтому расчет проводили по двухэкспоненциальной модели [31, 32], предполагающей преимущественное действие двух механизмов токопрохождения в области относительно низких напряжений, а именно: механизм рекомбинационного тока (Саа– Нойса–Шокли) [33] и диффузионный механизм (Шокли) [34]. Оба механизма связаны с дефектами и легирующими примесями. Показанная на рис. 4 модельная кривая ВАХ (кривая 4) хорошо описывает экспериментальную (кривая 3), подтверждая образование полупроводникового p–n-перехода с преимущественно омическими контактами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были исследованы ВАХ p–n-структуры, возникающей на поверхности n-GaAs под действием химически нейтральных низкоэнергетических ионов аргона. Для измерения ВАХ была разработана методика “холодного” нанесения многослойных металлических контактов на предельно тонкий (~10 нм) ионно-модифицированный слой. ВАХ контрольного необлученного образца оказалась практически линейной в области напряжений U > 0.1 В, что указывает на преимущественно омический характер металлических контактов. На экспериментальных ВАХ обнаружили диодный эффект с отношением величины прямого тока к обратному до трех порядков в области напряжений до 0.7 В. Моделирование ВАХ подтвердило преимущественно омический характер контактов, показало обусловленность диодного эффекта созданным p–n-переходом и выявило действие двух механизмов токопрохождения: рекомбинационного и диффузионного. Таким образом, было показано, что бомбардировка поверхности n-GaAs низкоэнергетическими ионами Ar⁺ приводит к формированию p–n-структуры с p–n-переходом, демонстрирующим ярко выраженный диодный эффект. Рассматриваемый эффект ограничивает использование низкоэнергетических ионов аргона в приготовлении атомно-чистой поверхности полупроводников на основе GaAs для их исследования поверхностно-чувствительными методами, поскольку вместо однородного материала на поверхности образуется p–n-структура.