Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 6, стр. 601-611
Воздействие электромагнитных волн миллиметрового диапазона на структуру и фазовый состав приповерхностных слоев арсенида галлия
Т. А. Брянцева a, *, Д. В. Любченко b, И. А. Марков a, Ю. А. Тен a
a Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
141120 Фрязино, Московской обл., пл. Введенского, 1, Российская Федерация
b CENTERA Laboratories, Institute of High Pressure Physics, PAS
01-142 Warsaw, ul. Sokołowska 29/37, Poland
* E-mail: bryantseva44@mail.ru
Поступила в редакцию 26.06.2021
После доработки 26.09.2021
Принята к публикации 15.10.2021
- EDN: XAXLHV
- DOI: 10.31857/S0033849422060067
Аннотация
Обнаружено, что под воздействием СВЧ-излучения малой мощности на поверхности арсенида галлия изменяется количественное соотношение между атомами (ионами) Ga и As, которое зависит от частоты электромагнитного поля. Показано, что изменение отношения Ga/As является результатом резонансно-релаксационных процессов, обусловленных дрейфом избыточных носителей заряда и их временем жизни, при этом движение заряженных частиц осуществляется по колеблющейся подкладке и определяется как дрейфом, так и диффузией в поле электромеханических напряжений, изменяющихся с частотой. Обнаружено, что под воздействием изменяется не только состав, но также концентрация и тип свободных носителей заряда, что в свою очередь вызывает изменения реологических и электрических параметров поверхности, включая изменение направления и скорости заряженных частиц, сопровождаемое электронной и акустической эмиссией.
ВВЕДЕНИЕ
В процессе создания и эксплуатации полупроводниковых приборов поверхность используемых материалов подвергается, как правило, воздействию различных технологических факторов, в том числе и электромагнитных излучений [1, 2]. Воздействие сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля на твердое тело помимо термического нагрева может приводить к изменению скорости физико-химических реакций, а также к изменению степени солидификации и аморфизации приповерхностных слоев [2–4]. Облучение поверхности является причиной разрыва межатомных связей, и движения электронов и ионов.
При этом возникают новые кластеры с перестроенной структурой решетки и изменение потенциального рельефа поверхности. В результате физико-химических реакций осуществляется перераспределение свободных зарядов, создание новой структуры встроенных поверхностных электрических полей и, как результат, возникновение новых видов колебаний (гиперзвук). При этом реализуется обмен фононами поверхности с объемом диэлектрика (полупроводника). Эти эффекты могут носить нетепловой характер и проявляться при очень малых уровнях поглощенной мощности. Они приводят к модуляции потенциального барьера и, как следствие, к разориентации решеток [2–5, 7]. Данный эффект особенно характерен для тонкопленочных структур и реализуется в том числе в контактах металл–полупроводник.
Зависимость содержания свободных атомов галлия и мышьяка на поверхности, не связанных с кристаллической решеткой GaAs, от мощности падающего излучения миллиметрового диапазона волн была исследована в [3, 4, 7] с использованием метода тонкого химического анализа. Целью данной работы было исследование методом фотометрирования изменения состава приповерхностных слоев GaAs под воздействием электромагнитной волны малой мощности в зависимости от частоты в диапазоне 55…75 ГГц.
1. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследуемые образцы, площадью 5 × 5 мм2 нарезались из эпитаксиальных структур n+–n–n++ (100) GaAs, обычно используемых для создания диодов Ганна. Толщина слоя c концентрацией электронов n+ ~ 1017 см–3 составляла 0.33 мкм, толщина подложки с n++ ~ 1018 см–3 – d ~ 300 мкм. Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Облучение образцов проводилось в диапазоне частот 55…75 ГГц при мощности излучения Рген. = 9 мВт и с выдержкой 1 с для минимизации термического нагрева.
Образцы размещали на расстоянии l = 100 мм от рупора (см. рис. 1), что позволило рассматривать поверхность образца как дальнюю зону для падающей волны и оценить плотность мощности облучения. Часть падающей волны отражалась от поверхности, коэффициент отражения составлял 0.55. В зависимости от частоты толщина скин-слоя для GaAs с n ~ 1017 см–3 соответствовала 1.3…1.5 мм, а для подложки с n ~ 1018 cм–3 0.4…0.5 мм, т.е. волна частично поглощалась в подложке. Однако оценка возможного термического нагрева показывает, что в условиях эксперимента изменение температуры образца не превышало 0.015°C. Общая площадь облучения плоскости образца соответствовала 0.7 см2.
Для оценки количеств галлия и мышьяка, не связанных с кристаллической решеткой, был выбран метод травления поверхности в концентрированной соляной кислоте [6, 7]. Как известно, HCl плохо растворяет соединение GaAs, тогда как свободные атомы мышьяка и галлия, а также их соединения с кислородом, водой или углеродом, в том числе атомы, входящие в слой природного оксида, растворяются в ней легко. Уходящие с поверхности элементы анализировались в растворенном виде с помощью метода фотометрирования. Этот метод позволял с точностью до 5% определять количественное содержание “свободных” атомов галлия и мышьяка в приповерхностном слое арсенида галлия до и после облучения.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Изменения содержания по Ga и As в приповерхностном слое в зависимости от частоты электромагнитного поля для исследуемых образцов приведены на рис. 2. Анализ зависимостей показан на рис. 3–5 (на графиках выделены реперные точки).
Рис. 2.
Содержание атомов Ga и As в мкг/1 см2 от частоты мм-волн (f): время облучения 1 с, мощность излучения 9 мВт.

Рис. 3.
Зависимость Ga/As (в ат. мас.) от частоты мм‑волн: время облучения 1 с, мощность излучения 9 мВт.

Рис. 4.
Отклонение от единицы Ga/As (в ат. мас.) в зависимости от частоты мм-волн; точки – эксперимент.

Рис. 5.
Зависимость Ga/As (в ат.мас.) от частоты мм-волн: точки – эксперимент, кривые – аппроксимация часть 1 (1) и часть 2 (2); время облучения 1 с, мощность излучения 9 мВт.

Данные химического анализа показывают, что на поверхности (100) GaAs еще до облучения (см. рис. 2–4, в точке f = 0) в малом количестве присутствуют “свободные” Ga и As, и отношение Ga/As соответствует единице.
На рис. 3 показаны изменения соотношения Ga/As в зависимости от частоты электромагнитного поля. Оказалось, что величина Ga/As имеет резонансный пик вблизи частоты f = 63 ГГц. Общая зависимость, исключая пик f = 63 ГГц, определяется линейным уравнением (см. рис. 4):
(1)
$\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}} - {{m}_{{{\text{A - As}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}} = - 0.00654 + 0.00428~f~\left( {{\text{ГГц}}} \right).$Частотная зависимость в этом случае соответствует обратному пьезоэффекту [8].
На рис. 5 выделяются два участка нелинейности, при f ≤ 63 ГГц и f ≥ 63 ГГц (часть 1 и 2), которые соответствуют уравнениям (2) и (3):
(2)
$\ln \frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}} = 0.06338 + 5.49342 \times {{10}^{{ - 20}}}{{f}^{{10.75}}},$(3)
$\begin{gathered} {{f}^{{5.5}}}\ln \frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}} = \\ = 2.35693 \times {{10}^{{11}}} - 9.77256 \times {{10}^{{11}}}~\frac{1}{{\ln f{\text{\;}}}}~. \\ \end{gathered} $Уравнение (2) соответствует, скорее всего, эффектам электрострикции [8], а уравнение (3) – явлениям фазовых превращений на поверхности GaAs за счет пьезоэффекта и эффектов релаксации [8, 9]. Таким образом, уравнения (1)–(3) свидетельствуют о различных типах механизмов воздействия СВЧ-поля в зависимости от частоты.
3. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Отклонения от стехиометрического состава
Поверхность исходного образца до облучения при Ga/As = 1 находится в квазиравновесном состоянии. При этом на поверхности GaAs присутствует тонкий слой природного оксида, который, достигая определенной толщины, в дальнейшем пассивирует поверхность [6]. В то же время обнаружение свободных атомов Ga и As на поверхности свидетельствует о наличии дефектов (вакансий Ga и As или дислокаций) в подлежащем слое GaAs. Существование слоя оксида постоянной толщины предполагает наличие двух потоков атомов (ионов) Ga и As и их вакансий, помимо электронов и дырок: удвоенный по направлению к поверхности GaAs и один – по направлению в объем арсенида галлия. При этом, как известно [10], концентрации электронов и дырок находятся в равновесии и описываются выражениями
В квазиравновесном состоянии возмущения на поверхности GaAs со стороны слоя оксида возникают за счет различия по плотности и величине коэффициента расширения природного оксида и подслоя GaAs. Величина отношения Ga/As (атомных масс) характеризует не только степень стехиометрии, но и изменение значения поверхностного электрического потенциала φ [11]. Так, например, из выражения электродного потенциала Нернста следует
где F – число Фарадея, z – заряд катиона, aп и a0 – активность иона на поверхности и в объеме GaAs.Согласно уравнениям Липпмана: ${{d\sigma } \mathord{\left/ {\vphantom {{d\sigma } d}} \right. \kern-0em} d} = - {{q}_{s}},$ где q = q/s = qs – заряд единицы поверхности при постоянной температуре. В то же время изменение поверхностной энергии выражается как σds, где σ – величина поверхностного натяжения, s – площадь межграничной поверхности [11]. Дифференциальная емкость двойного электрического слоя С, возникающая при этом, определяется как
Отсюда следует, что если знак плотности заряда и потенциала находятся в одинаковой фазе, то поверхностное натяжение уменьшается с ростом потенциала, когда же их знаки находятся в противофазе – рост потенциала приводит к повышению поверхностного натяжения.
В то же время движение положительных и отрицательных ионов As– и Ga+ и их вакансий совместно с электронами и дырками, как известно, создает локальное электрическое поле $E = {{E}_{0}}\exp \left( { - i\omega t} \right)$ и записывается в форме бегущей волны с различными амплитудами uGa и υAs [12].
Изменение состава в зависимости от частоты падающего излучения (1) (рис. 4) могут быть результатом направленного движения заряженных частиц, являющихся следствием возникновения пластической деформации или тепловой ориентационной поляризации [13]. При этом, как известно, меняется вязкость, и поэтому на поверхности возникают значительные скалывающие напряжения [2, 11]. Выражение (1) можно записать и в виде
При увеличении массы Ga в 2.7 раза по отношению к As энергия вероятности изменения соотношения mGa/mAs будет равна
При увеличении массы As в 2.7 раза по отношению к галлию энергия вероятности изменения соотношения будет
Величина Ф соответствует учетверенным значениям энергии поперечных оптических колебаний ТO1 и ТO2 (табл. 1),
Таблица 1.
GaAs: тип фононов и их энергия [15]
Тип фонона | Энергия, эВ |
---|---|
TO1 | 0.0324 |
TO2 | 0.0316 |
LO | 0.0292 |
LA | 0.0230 |
TA | 0.0086 |
что может указывать на поглощение энергии при рассеянии акустических колебаний. Из этой же зависимости можно сделать вывод, что на участке вблизи 63 ГГц выделяется (потребляется) энергия порядка 180 кал/моль (0.0079 эВ), значение которой соответствует энергии ориентационного перехода (100) GaAs ↔ (111)GaAs.
Наблюдаемая частотная зависимость объясняется тем фактом, что в ответ на воздействие электрического поля полярные молекулы совершают скачки в их угловой ориентации из одного стабильного положения в другое [10] и угол между дипольным моментом и электрическим полем уменьшается. Изменения угловой ориентации допускаются симметрией кристалла. В нашем случае можно предположить, что молекулы из ориентированных в направлении [211] становятся ориентированными в направлении [110] на (100) GaAs поверхности. Скорость, с которой происходят эти перескоки, определяется постоянной времени релаксации, выражаемой как
Из сказанного выше следует, что этот переход может осуществляться под воздействием суммарного электрического поля, формирующегося на поверхности GaAs в результате пластической деформации σ = 0.072 эВ и/или вследствие ориентационной поляризации φ = 0.066 эВ. Из данных, представленных на рис. 4 можно найти время полной релаксации исходного напряжения τ0 = 231.3 с. Здесь τ, по-видимому, время перехода дефектов двойникования – фасеток (111)GaAs ↔ (100)GaAs. Таким образом, линейная составляющая частотной зависимости определяется эффектами всестороннего сжатия исходной поверхности и временем релаксации.
Следует отметить, что энергия активации изменения содержания As найдена равной qAs ≈ 0.036 эВ, т.е. изменение осуществляется с участием колебаний решетки с частотой, близкой к частоте длинноволновых оптических фононов, (см. рис. 2, табл. 1). Энергия активации изменения концентрации Ga (см. рис. 2) оказалась равной qGa ≈ 0.0086 эВ, что соответствует энергии поперечных акустических фононов.
3.2. Электромеханические напряжения
Поток энергии частиц. При f < 60 ГГц величина Ga/As в выражении (2) определяется величиной потока энергии заряженных частиц, определяемой временем релаксации [13, 15]. В этом случае, как известно, величина потока энергии частиц соответствует энергии, отнимаемой у движущихся дефектов по поверхности подложки осцилляторами подложки, имеющими собственную частоту, на которые в течение промежутка времени t действует сила. Эта сила, как известно, равна $\frac{t}{\tau }\delta W$, а величина $\frac{1}{\tau }\delta W$ является энергией, теряемой за единицу времени. Из уравнения (2) можно найти время релаксации напряжений τ1 = 100 с и величины выделенной или поглощенной энергии, определяющие скорость соответствующих физикохимических реакций. Так, например, при f → 0 энергия активации изменения Ga/As соответствует Q = 0.41 эВ, что равно половине энергии образования GaAs [17].
Скорость потока энергии. При f > 60 ГГц зависимость (3) изменения отношения Ga/As от частоты имеет другой характер. Соотношение Ga/As, судя по всему, при облучении образца GaAs определяется скоростью потока энергии $\frac{1}{\tau }\delta W$ (интенсивностью) движущихся дефектов, связанной с изменением частоты колебаний решетки GaAs, время релаксации τ ~ 113 с. При f → 0 энергия активации изменения Ga/As равна Q = 0.254 эВ, что соответствует половине энергии однократной ионизации GaAs [14].
Полученные результаты прежде всего указывают на тот факт, что в первом случае поверхностный потенциал определяется величиной собственной проводимости: электронов и дырок, когда Q = W + E, W – энергия образования дефектов и Е – энергия электрического поля. Наблюдаемые изменения состава при этом являются следствием разогрева поверхности [19]. Во втором случае поверхностный потенциал определяется величиной примесной проводимости (дырок), причем Q = E. Пик при f ~ 63 ГГц является границей между горячей и холодной областями. Таким образом, изменение состава поверхности может быть как следствием, так и причиной изменения поверхностной энергии образцов.
Радиус кривизны поверхности. Помимо перечисленных выше явлений в результате изменения состава изменяется и радиус кривизны поверхности, что, как известно, приводит к накоплению или обеднению заряда в этих местах [11]. В результате изменения содержания галлия максимум кривизны поверхности достигается при f ~ 55 ГГц, а энергия активации соответствует 0.075 эВ. В то же время из графика изменения по As видно, что максимум изгиба поверхности формируется при f ~73 ГГц, а энергия активации ~ 0.064 эВ.
Энергетический зазор электронов. Любой объемный заряд при накоплении или обеднении зарядами, как следует из уравнения Пуассона, сопровождается возникновением электростатического потенциала [8].
Обращает на себя внимание тот факт, что при f ≤ 60 ГГц энергия активации изменения величины mGa/mAs совпадает с энергетическим зазором электронов ${{Q}_{1}}~\,\, = \left( {{{\varphi }_{n}}~\,\, - \,\,~{{\varepsilon }_{с}}} \right)\,\,~ = 0.41~\,\,{\text{эВ}}$ в GaAs. В этом случае движение приведенного волнового вектора осуществляется из Г(000) к Х(100), когда приведенный волновой вектор $\vec {r}$ = 0 [10]. При f ≥ 64 ГГц энергия активации изменения mGa/mAs соответствует Q2 = 0.254 эВ и находится в корреляции с величиной энергетического зазора электронов в том случае, когда приведенный волновой вектор сдвигается из Г(000) к L(111). Следует учитывать, что на поверхности, находящейся под внешним воздействием, концентрация свободных электронов и дырок записывается как
3.3. Воздействие излучений на атомно-молекулярном уровне
Атомная диффузия. Релаксационно-резонансный пик f ~ 63 ГГц, как оказалось, соответствует резонансной частоте атомных перескоков, происходящих посредством межузельной атомной диффузии, подобной наблюдаемым в [19]. Резонансная частота перескоков, судя по всему, равна
В случае f < 63ГГц (2) имеем
В области f > 63 ГГц (3)
Таким образом, при облучении поверхности миллиметровыми волнами на частоте до 75 ГГц в приповерхностном слое GaAs возникают высокочастотные оптические колебания решетки, причем в случае f ≤ 63 ГГц эти колебания близки к поперечным, a состояние f ≥ 63ГГц – длинноволновым оптическим фононам. То есть при частоте ~63 ГГц происходит дисперсия диэлектрической проницаемости.
На молекулярном уровне. Под воздействием электромагнитных излучений, как известно, может происходить деформация молекулярных электронных облаков, растяжение или сжатие молекул, а также их поворот [2, 12, 13], что может характеризоваться, в частности, таким параметром как диэлектрическая проницаемость ε. Оказалось, что и при f ≤ 63 ГГц, и при f ≥ 63 ГГц получаем $\left( {{{\ln {{f}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\ln {{f}_{0}}} {\ln f}}} \right. \kern-0em} {\ln f}}} \right) = {\varepsilon \mathord{\left/ {\vphantom {\varepsilon {{{\varepsilon }_{0}} = 1.08}}} \right. \kern-0em} {{{\varepsilon }_{0}} = 1.08}}$, что в свою очередь соответствует значению ωL/ωT [12]. При этом
где ωT, ωL – частота поперечных и продольных оптических колебаний соответственно, ε(0) – статическая диэлектрическая проницаемость, ε(∞) – высокочастотная (оптическая) диэлектрическая проницаемость, обусловленная смещением электронных облаков.Смещение приведенного уровня Ферми. В области f ≤ 63 ГГц при
энергия активации изменения химического потенциала будет равна ${U \mathord{\left/ {\vphantom {U {RT}}} \right. \kern-0em} {RT}} \approx 1.46$, а величина энергии смещения приведенного уровня Ферми согласно [15] (табл. 2) – ${\mu \mathord{\left/ {\vphantom {\mu {RT}}} \right. \kern-0em} {RT}} \approx \sqrt {{U \mathord{\left/ {\vphantom {U {RT}}} \right. \kern-0em} {RT}}} = \sqrt {1.46} = 1.21$, что соответствует μ = +0.032 эВ.
Таблица 2.
Зависимость электрохимического потенциала от частоты
$\tilde {\mu } = {\mu \mathord{\left/ {\vphantom {\mu {kT}}} \right. \kern-0em} {kT}}$* | n, см–3 | µ, эВ | Примечание | ||
---|---|---|---|---|---|
Эксперимент | Расчет | Эксперимент | Расчет | ||
+1.21 | +1.21 | 1018 | +0.031 | +0.031 | f < 63 ГГц |
0 | – | 0 | Дно зоны проводимости ε = 0 – граница между вырожденным и невырожденным состояниями | ||
–1.32 | –1.3 | 1017 | –0.034 | –0.03379 | f > 63 ГГц |
+5.48 | +6 | 1019 | +0.142 | +0.15 | При n = 1019 см–3 расстояние от уровня Ферми до дна второй зоны 0.15…0.2 эВ |
В области f ≥ 63 ГГц при увеличении массы Ga в 2.7 раз по отношению к As выражение (3) может быть записано как
Таблица 3.
Энергетические характеристики реакций
f, ГГц | q, эВ | ∆φ, эВ | n, см–3 | Т | Энергетический зазор, эВ | Энергия колебаний | f0, с–1 (тип колебаний) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
f ≤ 55 55 < f < 60 |
0.028 0.024 |
–0.036 +0.032 |
1017 | ↑↑ | (100) ↔ (111) ε–εv = –0.41 |
0.072 | 9.8 × 1011 (ионно-плазменный) |
75 > f > 60 | 0.008 | 0.034 | 1018 | ↑ | (111) ↔ (100) (ε–εc) = 0.25 |
0.058 | 1.27 × 1012 (оптические) |
80 > f > 40 | 0.039 | +0.144 | 1019 | ↓ | (111) → (100) фасетки |
– | – |
Переход электронов внутри зоны проводимости. Выделяемое или поглощаемое тепло за счет перемещения заряженных частиц, таких как электроны, ионы, дислокации, включая дрейф или диффузию в поле возникающих электромеханических напряжений, а также движения молекул или диполей, такие как растяжение–сжатие или поворот в электрическом поле (поляризация), распределяется анизотропно вдоль выделенных направлений. В GaAs этим направлением является [110] As как наиболее нестабильное.
Соотношение между величинами поглощенной или выделенной энергий для состояний 1) f < < 63 ГГц и 2) f > 63 ГГц определяется величинами углов между этими направлениями, связанными, в частности, с переориентациями решетки. В этом случае изменение углов, скорее всего, описывается хорошо известным выражением Рида–Шокли для энергии границ зерен [20]:
Первая часть этого выражения ${{E}_{0}}{{\theta }}A$ увеличивается с возрастанием угла, вторая часть –E0θ ln θ = = E0θ ln(1/θ) представляет собой энергию атомного несоответствия на единицу площади и является переменной. Эти функции дают в результате кривую, круто возрастающую при малых углах и достигающую максимума при θ = 25°.
Соотношение энергий активации изменения Ga/As для случаев 1 и 2 равно tg θ = 0.072/0.059 = 1.2 и θ = 2 × 25°. При этом величина энергии активации изменения состояний 1 и 2, т.е., энергия активации изменения угла между выделенными направлениями равна ±(0.22–0.024) эВ.
Судя по энергиям, время переходов ~10–12 с соответствует времени перескока электронов внутри зоны проводимости [10, 19]. Изгиб приповерхностного слоя, в свою очередь, также может являться причиной перехода электронов внутри зоны проводимости.
3.4. Движение дефектов и распределение векторов внутрикристаллических полей в приповерхностных слоях
Поскольку ионы галлия и мышьяка являются потенциалообразующими, то энергии активации изменения соотношения их масс позволяют судить не только о величине напряженности, но и о распределении векторов внутрикристаллических полей, что дает возможность определить соответствующие физико-механические реакции.
1. В области f ≤ 55 ГГц при $\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}} = \frac{1}{{2.7}}\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga0}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As0}}}}}}}$ энергия активации изменения Ga/As, определяемая из выражения (2), составляет q1 ~ 0.027 эВ (0.072 эВ/2.7) и соответствует энергии продольных оптических фононов. В этом случае, судя по всему, происходит растяжение молекул приповерхностного слоя за счет увеличения расстояния между ионами As─ и Ga+ в направлениях [110]Ga и [110]As, т.е. осуществляется перемещение вектора встроенного электрического поля [100]GaAs. Движение заряженных частиц – электронов и дырок (помимо ионов) – происходит преимущественно в измененном направлении [100]GaAs. Перпендикулярно к нему изменяется и положение вектора механического напряжения. Вектор плоскости скольжения, формирующейся как результат изменения вязкости, стремится занять место, параллельное направлению механического напряжения.
2. В области 55…63 ГГц при $\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}} = 2.7\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga0}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As0}}}}}}}$ из выражения (2) можно найти q2 ~ 0.024 эВ (0.066 эВ/2.7), что соответствует энергии продольных акустических фононов и объясняется воздействием миллиметровой (мм) волны на скорость движущихся электронов. Когда время жизни электронов совпадает с частотой электромагнитных волн вследствие резонансного эффекта, возникает разогрев поверхности преимущественно в направлении [100] GaAs, являющимся направлением встроенного электрического поля. Наибольшее растяжение наблюдается в этом же направлении. Вектор плоскости скольжения, в свою очередь, стремится занять положение, параллельное направлению механического напряжения. Вслед за ним изменяется и направление вектора встроенного электрического поля.
3. В области f ≥ 63 ГГц, при $\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}} = \frac{1}{{2.7}}{\text{ln}}\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga0}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As0}}}}}}}~$ согласно с (3) энергия активации изменения свободной энергии поверхности становится равной q3 ~ 0.008 эВ (0.066 эВ/2.72), что соответствует энергии поперечных акустических фононов. Откуда следует, что при воздействии электромагнитных волн на заряженные частицы (в этом случае дырки) вследствие резонансного эффекта приповерхностный слой охлаждается в направлении [100]. В результате в этом направлении осуществляется сжатие приповерхностного слоя. Вектор плоскости скольжения стремится к направлению, перпендикулярному линиям напряженности электрического поля. Вслед за ним также изменяется положение вектора встроенного электрического поля.
Таким образом, энергия активации физико-механических реакций, протекающих одновременно, сопровождается взаимосвязанными изменениями направлений вектора напряженностей встроенного электрического поля (решеточное поглощение) и механических напряжений (рассеяние на электронах и дырках) на поверхности. Полученные результаты, кроме того, указывают на тот факт, что в первых двух случаях поверхностный потенциал определяется величиной собственной проводимости – электронов и дырок, а в третьем случае – величиной примесной проводимости, дырок [19].
В табл. 3 приведены полученные в данной работе энергетические характеристики электрохимико-механических реакций, возникающих в приповерхностном слое GaAs под воздействием СВЧ-поля в зависимости от частоты.
3.5 . Электронная и акустическая эмиссия
Эмиссия электронов. Вероятность электронной эмиссии связана, скорее всего, с появлением свободной энергии вследствие переходов растяжение–сжатие с последующим ориентационными переходами (100)GaAs ↔ (111)GaAs, сопровождаемыми изменением величины работы выхода электронов помимо изменения радиуса кривизны поверхности. Суммарная величина энергии, достигаемая за счет сложения выделяемых при этих переходах энергий, становится равной пороговой энергии фотоэмиссии $h{{\nu }_{0}} \geqslant 5.5$ эВ [14]. Следует отметить, что при f < 55 ГГц электроны удаляются с поверхности арсенида галлия в окружающую среду, скорее всего, посредством механизма автоэлектронной эмиссии. При увеличении $\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}}$ в 2.7 раз энергия потока электронов соответствует энергии вероятности изменения колебаний решетки Ф ~ +0.11 эВ, при этом поверхность разогревается. При 55 ГГц < f > 63 ГГц и увеличении $\frac{{{{m}_{{{\text{A - Ga}}}}}}}{{{{m}_{{{\text{A - As}}}}}}}$ в 2.7 раз электроны удаляются с поверхности GaAs посредством термоэлектронной эмиссии, поверхность нагревается в меньшей степени. При f > 60 ГГц происходит инжекция электронов с поверхности в объем полупроводника, поверхность GaAs охлаждается.
Изменение внутренней термодинамической температуры. Поскольку нарушенный подслой GaAs в качестве подкладки обладает плохой тепло- и электропроводностью, в результате физико-химических процессов приповерхностный слой GaAs может как разогреваться, так и охлаждаться. Причиной могут быть физико-химические процессы, такие как:
1) движение заряженных частиц под воздействием мм-волн;
2) присоединение атомов Ga и As к решетке арсенида галлия;
3) превращение ионов галлия и мышьяка, поступающих на поверхность GaAs, в нейтральные атомы с выделением энергии;
4) электронная и акустическая эмиссия.
Величина двойного электрического слоя. Как следует из изложенного выше, повышение внутренней термодинамической температуры за счет движения ионов и изгиба поверхности в области f ≤ 55 ГГц способствуют эмиссии электронов. Электроны в виде облака удерживаются вблизи поверхности полупроводника, изменяя величину и знак двойного электрического слоя. В то же время формирование электронного облака замедляет эмиссию. В области 55 ГГц ≤ f ≤ 63 ГГц наряду с эмиссией и образованием электронного облака увеличивается время жизни и длина свободного пробега электронов в приповерхностном слое GaAs за счет уменьшения их количества. В результате дрейфа электронов поверхность GaAs разогревается и осуществляется переход (100)GaAs → (111)GaAs. Поскольку работа выхода в (111)GaAs больше (100)GaAs [14], поверхность GaAs обогащается электронами. При f = 63 ГГц потенциал двойного электрического слоя на границе электронное облако–полупроводник стремится к нулю. В результате при f ≥ 63 ГГц осуществляется обратный переход (111)GaAs → (100)GaAs.
3.6. Фононный спектр
Результатом возмущения электрического потенциала на границе с окружающей средой является нарушение равновесного распределения фононов, уже существующих в кристалле при комнатной температуре. За счет перераспределения их по спектру энергий выделяется преимущественная (резонансная) частота и возникает акустическая волна. Это дает возможность предположить, что мм-волны воздействуют на движение заряженных частиц (дефектов), таких, например, как электроны в связке с положительно заряженными вакансиями ${\text{As}}_{v}^{ + }$ и ионами Ga+ или дырки в паре с отрицательно заряженными вакансиями ${\text{Ga}}_{v}^{ - }$ и ионами As–, включая дислокации.
Вблизи поверхности GaAs как пьезоэлектрика при этом возбуждается два вида упругих колебаний. Первый – за счет наличия слоя оксида на основе Ga2O3 + As2O3 + GaAsO4 [6], имеющего вид резонансного преобразователя пластинчатого типа малой толщины из-за эффектов электрострикции и/или пьезоэлектричества. Второй – нерезонансный метод возбуждения гиперзвука как результат скачка диэлектрической проницаемости кристалла. Это приводит к появлению на его поверхности зарядов, меняющихся с частотой поля и вызывающих переменную пьезоэлектрическую деформацию, которая в виде продольной или сдвиговой упругой волны распространяется по кристаллу. Нелинейное взаимодействие этих вынужденных колебаний приводит к образованию третьей волны [21]. Вследствие взаимодействия акустических волн, возбуждаемых в резонаторных пластинках (оксида и нарушенного слоя GaAs), энергии волн могут увеличиваться (складываться) или уменьшаться (вычитаться) как следствие фонон-фононного взаимодействия, как показано ниже.
1. В области f ≤ 55 ГГц значение энергии соответствует
2. При 55 ГГц ≤ f ≤ 65 ГГц выполняется соотношение
3. Для f ≥ 65 ГГц энергия результирующей волны соответствует
Сравнение с данными, представленными в таблице разрешенных колебаний в [15] для различных плоскостей, показывает, что смена выделяющихся энергий результирующих колебаний соответствует процессу смены поверхностной ориентации. Кроме того, вследствие реакций взаимодействия типа “деформация–электрическое поле” появляются акустические и электроакустические волны на комбинационных частотах [15, 21]. Смещение атомов решетки при этом приводит к воздействию волны на свободные электроны полупроводника.
Таким образом, в рассматриваемом случае воздействие мм-волн осуществляется с помощью таких механизмов как:
1) потенциал-деформационный механизм, за счет изменения ширины запрещенной зоны полупроводника и работы выхода электронов при переходе плоскости (100) ↔ (111),
2) пьезоэлектрический механизм как следствие воздействия акустической волны на электроны проводимости, который, как известно, является наиболее эффективным на частотах до 1011 Гц [20].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Зависимость соотношения количеств As и Ga от частоты СВЧ-поля носит ярко выраженный резонансно-релаксационный характер с частотой резонанса ~6.5 × 1010 Гц, что соответствует частоте перескока атомов в кристаллической решетке.
Аппроксимация зависимостей изменения массы свободных галлия и мышьяка показывает, что каждая из них (и по галлию, и по мышьяку) состоит по крайней мере из трех функций. Первая – логарифмическая, вторая – является двойной логарифмической функцией от частоты, а третья – экспоненциальная. Это, в свою очередь, указывает на три реакции различной природы, протекающих одновременно. Первая соотносится с движением частиц посредством диффузии (μ – химический потенциал) или дрейфа в электрическом поле (φ – электрический потенциал), вторая – относится к изменению поверхностной энергии, включая химический и электрический потенциалы (∆µ, ∆φ), третья – к эмиссии электронов и дырок, включающих в себя термоэлектронную и автоэлектронные эмиссии. При этом происходят изменения реологических параметров.
Таким образом, под воздействием электромагнитных волн миллиметрового диапазона малой мощности на поверхности GaAs помимо изменения состава происходит изменение концентрации электронов и дырок, а следовательно, и скорости движения заряженных частиц. Осуществляется деформация поверхности типа растяжение-сжатие с участием ориентационных переходов типа (100)GaAs ↔ (111)GaAs, деформация сдвига, изгиба и, как следствие, акустическая и/или электронная эмиссия.
Список литературы
Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА. М.: Высш. школа, 1987.
Гладков С.О. Физика композитов. Термодинамические и диссипативные свойства, М.: Наука, 1999.
Брянцева Т.А., Любченко Д.В., Марков И.А., Тен Ю.А. // Журн. радиоэлектроники. 2019. № 6. https://doi.org/10.30898/1684
Брянцева Т.А., Любченко Д.В., Любченко В.Е. и др. // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 2. С. 196.
Брянцева Т.А., Любченко В.Е., Любченко Д.В. и др. // РЭ. 2009. Т. 54. № 5. С. 4.
Брянцева Т.А., Бобылев М.А., Лебедева З.М., Любченко Д.В. // Завод. лаб. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. № 4. С. 41.
Lioutbchenko D.V., Briantseva T.A., Lebedeva Z.M. et al. // Deffect and Diffuzion Forum. 2001. V. 194–199. P. 745.
Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1983. С. 928.
Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел. М.: Мир, 1981.
Блейкмор Дж. Физика твердого тела. М.: Мир, 1988.
Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1982.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.
Фридкин В.М. Динамика решетки и фазовые переходы. Современная кристаллография. Т. 2. Структура кристаллов. М.: Наука, 1979. С. 268.
Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 1231.
Арсенид галлия в микроэлектронике / Под ред. Н. Айнспрука, У. Уиссмена. М.: Мир, 1988.
Laser Annealing of Semiconductors / Ed. J.M. Poate, J.W. Mayer. New York; London: Acad. Press, 1982.
Френкель Я.И. Введение в теорию металлов / Под ред. С.В. Вонсовского. Л.: Наука, 1972.
Яценко С.П. Галлий. Взаимодействие с металлами. М.: Наука, 1974.
Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в современную физику. М.: Наука, 1969.
Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Мир, 1974.
Нелинейные акустоэлектронные устройства и их применение / Под ред. В.С. Бондаренко. М.: Радио и связь, 1985.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Радиотехника и электроника