1

1
Влияние температурной обработки на
вольт-фарадные и вольт-сименсные
характеристики структур Ga2O3 - GaAs
Т.М. Яскевич, А. Н. Зарубин, В.М. Калыгина, Ю.С. Петрова, А. В. Тяжев, С.Ю. Цупий,
Томский госуниверситет

Аннотация—В
работе
представлены
результаты
исследования
вольт-фарадных
и
вольт-сименсных
характеристик МДП структур Ga2O3–GaAs, в которых
пленка оксида галлия сформирована на поверхности
полупроводника методом термического испарения в вакууме
порошка Ga2O3. Показано, что при увеличении длительности
температурной
обработки
емкость
диэлектрика
уменьшается, что равносильно уменьшению величины
диэлектрической проницаемости и объясняется переходом
Ga2O3 в более проводящую фазу с малой ε. Плотность
поверхностных состояний на границе раздела отожженных
МДП структур уменьшается до 1·1012 см-2·эВ-1.
Ключевые слова—оксид галлия, МДП структуры, арсенид
галлия, поверхностные состояния
I. ВВЕДЕНИЕ
Современная микроэлектроника построена на работе
полевых транзисторов с изолированным затвором. На
качество работы данных приборов существенное влияние
оказывает граница раздела диэлектрик-полупроводник.
Наименьшая
величина
плотности
поверхностных
состояний в настоящее время достигнута для границы
раздела Si-SiO2, и она составляет (109 – 1010) см-2·эВ-1.
Значение плотности поверхностных состояний (ПС),
Работа получена 10 мая, 2011. Исследования выполнялись в рамках
проектов: ФЦП НК -593П ГК П866, ФЦП НК ГК 14.740.11.0499, АВЦП
2.1.2/12752.
А.Н. Зарубин, Томский государственный университет, Томск, ул.
Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828).
В.М. Калыгина, Томский государственный университет, Томск,
ул.Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828; e-mail: [email protected]).
Ю.С. Петрова, Томский государственный университет, Томск,
ул.Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828).
А.В. Тяжев, Томский государственный университет, Томск, ул.
Лыткина 28г (тел.: +7(3822)413434; факс: +7 (3822)412588, e-mail:
[email protected]).
С.Ю. Цупий, Томский государственный университет, Томск,
ул.Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828).
Т.М. Яскевич, Томский государственный университет, Томск,
ул.Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828; e-mail: [email protected]).
лежащее в интервале (1011 – 1012) см-2·эВ-1,
ориентировочно можно считать предельными для работы
приборов в микроэлектронике.
Полевые транзисторы с изолированным затвором на
основе
арсенида
галлия,
промышленностью
не
выпускаются вследствие того, что не удается получать
МДП структуры с плотностью поверхностных состояний
меньше чем 1013 см-2·эВ-1[1]. Преимущества транзисторов
на основе GaAs: частотный потолок выше, из-за больших
подвижностей носителей заряда; большая радиационная
стойкость; большая термостабильность.
Пленки оксида галлия обладают низкой удельной
электрической проводимостью, высоким значением
диэлектрической проницаемости и высокой электрической
прочностью.
При использовании в качестве диэлектрика к арсениду
галлия пленки Ga2O3, являющейся собственным окислом,
в данной работе удалось уменьшить величину плотности
поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик
– полупроводник до (1 – 2) 1012 эВ-1см-2.
Условия температурной обработки пленки Ga2O3
влияют на степень закрепления уровня Ферми на границе
раздела GaAs-Ga2O3 и дают возможность управлять
свойствами границы раздела GaAs-Ga2O3, включая
изменение изгиба зон на поверхности полупроводника и
получение режимов обеднения, обогащения и инверсии.
II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Пленки GaxOy толщиной 180 нм получали вакуумтермическим испарением в квазизамкнутом объеме
порошка Ga2O3 β-фазы на установке ВУП-4. Толщина
пленок контролировалась массой испаряемого материала.
В качестве подложек был выбран арсенид галлия,
выращенный по методу Чохральского в направлении
[100], легированный в процессе роста мелкой донорной
примесью ( N d  2  1016 см 3 ). Перед напылением пленок
оксида галлия положки GaAs проходили стандартную
очистку.
Термическая обработка пленок проводилась на
установке УДО-3 в среде инертного газа (Аr) при
температуре 600 ˚С в течении 4, 8, 12 часов.
2
600
2000
500
1500
300
1000
200
1
G, мкС
400
C, пФ
В качестве верхнего электрода использовали слои Ni с
подслоем V, нанесенные электронно-лучевым испарением
через маску с диаметром отверстий 1,135 мм. Нижний
электрод V/Ni к полупроводниковой подложке был
сплошным. Структура изготовленных образцов приведена
на рисунке 1.
Исследования вольт-фарадных и вольт-сименсных
характеристик
проводились
с
использованием
автоматизированного комплекса на базе цифрового LCR
измерителя E7-12 и измерителя имитанса Е7-20.
500
100
2
0
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
U, B
Рисунок 3. Вольт-фарадная и вольт-сименсная характеристики
структуры Me-Ga2O3-GaAs-Me, подвергнутой 8-часовому термическому
отжигу при 600 ˚С
Рисунок 1. Структура исследуемых образцов Me-Ga2O3-GaAs-Me
III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Вольт-фарадные (кривые 1) и вольт-сименсные
характеристики (кривые 2) МДП структур, измеренные на
частоте 1 МГц, представлены для двух типов структур: без
температурной обработки (рисунок 2) и после
температурной обработки (600 ˚С, 8 ч) (рисунок 3).
1000
4000
900
3500
800
3000
700
C, пФ
1
500
2000
400
G, мкС
2500
600
1500
300
2
1000
200
500
100
0
0
-16 -14 -12 -10 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10 12 14 16
U, B
Рисунок 2. Вольт-фарадная и вольт-сименсная характеристики
структуры Me-Ga2O3-GaAs-Me, не подвергнутой термическому отжигу
Из рисунка 2 видно, что на кривой С(U) имеется пик,
который объясняется наличием поверхностных состояний
на границе раздела полупроводник – диэлектрик. В
интервале напряжений от 0 до 5,5 В, емкость уменьшается
с 490 до 450 пФ (рисунок 2, кривая 1). После проведения
отжига МДП структур ветвь ВФХ при U>0 сдвигается в
область более высоких положительных смещений; емкост
структур при любых потенциалах на управляющем
электроде (электрод к оксиду галлия) снижается;
распределение плотности поверхностных состояний
изменяется; пик на зависимости С(U) постепенно
уменьшается и исчезает при увеличении длительности
отжига до 8 часов.
В интервале напряжений от 0 В до 11 В, емкость МДП
структуры изменяется от 140 пФ до 135 пФ (рисунок 3,
кривая 1). Напряжение, при котором емкость становиться
максимальной, смещается в область больших напряжений:
от 12 В до 24 В. Одновременно наблюдается снижение
максимального значения проводимости МДП структур
более чем в 2 раза, вследствие уменьшения плотности
поверхностных состояний, которые вносят существенный
вклад в сопротивление всей МДП структуры.
Значение максимальной емкости в режиме обогащения
соответствует емкости диэлектрика Ga2O3. Из рисунков 2
и 3 видно, что после температурного отжига емкость
диэлектрика уменьшается от 800 пФ до 570 пФ, причем
длительность отжига определяет на сколько уменьшается
величина емкости Ga2O3.
В статье [2] отмечено, что толщина пленок оксида
галлия уменьшается при проведении температурной
обработки, причем, чем выше температура и больше
продолжительность отжига, тем тоньше пленка.
Следовательно, уменьшение емкости диэлектрика может
быть связано только с уменьшением величины
диэлектрической проницаемости (ε). Полученные данные
согласуются с результатами работы [3], в который при
увеличении температуры обработки диэлектрическая
проницаемость уменьшается. Величина ε для вещества –
это фиксированный параметр, если он изменяется, значит
изменяется структура вещества, образованная те ми же
атомами.
В работе [4] отмечено, что значение диэлектрической
проницаемости для α-фазы Ga2O3 больше чем для β-фазы.
На
основе
полученных
экспериментальных
зависимостей (рисунки 2, 3) можно утверждать: в
результате
температурной
обработки
изменяется
структура пленок оксида галлия, а именно, увеличивается
доля β-фазы Ga2O3 (наиболее устойчивая модификация из
всех существующих фаз Ga2O3), уменьшается плотность
поверхностных состояний до величины (1 - 2)  1012 эВ-1см-2.
Вольт-фарадные характеристики МДП структур,
измеренные в интервале (1 – 1000) кГц для структур без
отжига и после отжига (600 ˚С, 8 ч) представлены на
рисунках 4 и 5 соответственно.
3
1 кГц
10 кГц
50 кГц
100 кГц
200 кГц
300 кГц
400 кГц
500 кГц
600 кГц
700 кГц
800 кГц
900 кГц
1000 кГц
2400
2200
2000
1800
1600
C, пФ
1400
1200
1000
установлено, что после отжига увеличивается доля β-фазы
в пленках Ga2O3, уменьшается плотность поверхностных
состояний до величины (1 – 2) 1012 эВ-1см-2, разброс
времен релаксации поверхностных состояний становится
меньше. Таким образом, температурная обработка пленок
оксида галлия в инертной атмосфере является
эффективным методом управления их электрических
характеристиками и свойствами границы раздела
полупроводник-диэлектрик.
ССЫЛКИ
800
600
[1]
400
[2]
200
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
U, B
Рисунок 4. Вольт-фарадная характеристика структуры Me-Ga2O3-GaAsMe, не подвергнутой термическому отжигу
1 кГц
10 кГц
50 кГц
100 кГц
200 кГц
300 кГц
400 кГц
500 кГц
600 кГц
700 кГц
800 кГц
900 кГц
1000 кГц
1800
1600
1400
1200
С, пФ
1000
800
600
400
200
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
U, В
Рисунок 5. Вольт-фарадная характеристика структуры Me-Ga2O3-GaAsMe, подвергнутой 8-часовому термическому отжигу при 600 ˚С
Особенности ВФХ, измеренных на разных частотах,
определяются широким набором времен релаксации
поверхностных состояний. С повышением частоты
измерительного
сигнала
пик,
обусловленный
перезарядкой ПС, снижается и сдвигается в область более
высоких положительных потенциалов [4]. После отжига
частотная дисперсия ВФХ заметно снижается: при
f  500 кГц кривые С(U) практически неразличимы, что
объясняется уменьшением времен релаксации.
При
отрицательной
полярности
приложенного
напряжения емкость от частоты не зависит.
Совокупность
полученных
результатов
дает
возможность предположить, что после отжига получена
тонкая
пленка
оксида
галлия,
имеющая
поликристаллическую структуру, содержит кристаллиты
β-фазы Ga2O3.
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследования влияния длительности
температурного отжига структур Me-Ga2O3-GaAs-Me на
их вольт-фарадные и вольт-сименсных характеристики
[3]
[4]
В.И. Гаман, «Физика полупроводниковых приборов» – Томск: Издво научно-технической литературы. - 2000. - 458 с.
C.-T. Lee, H.-W. Chen, F.-T. Hwang, H.-Y. Lee, «Investigation of Ga
Oxide Films Directly Grown on n-Type GaN by Photoelectrochemical
Oxidation Using He-Cd Laser», Journal of Electronic Materials, Vol.
34, No. 3, 2005, pp. 282 – 286.
G.X. Liu, F.K. Shan, J.J. Park et al., «Electrical properties of Ga2O3based dielectric thin film prepared by plasma enhanced atomic layer
deposition», Journal Electroceram, Vol. 17, No. 2-4, 2006, pp. 145 –
149.
В.И. Гаман, Н.Н. Иванова, В.М. Калыгина, Е.Б. Судакова,
«Электрические свойства структур металл-ванадиево-боратное
стекло-GaAs», Известия вузов. Физика, № 11, 1992, сс. 99 - 108