Перспективы применения полупроводникового материала на основе фосфида индия в отраслях приборостроения

АННОТАЦИЯ

В предлагаемой статье приведены практические сведения о перспективах кристалла фосфида индия, который является материалом для создания ряда важных полупроводниковых приборов: полевых транзисторов, генераторов низкой и высокой частоты, преобразователей энергии. Также изучено поверхностное состояние собственных оксидов фосфида индия (СО-InР) методом оже-спектроскопии и получено, что СО-InР является существенно более узкой переходной областью и имеет значительно менее нарушенную стехиометрию (А³В⁵) полупроводникового соединения в этой области. МОП-структуры на основе фосфида индия более оптимальны по сравнению с другими МОП-структурами для создания СВЧ МОП полевых транзисторов и интегральных схем (ИС). Толщина самой переходной области (СО-InР) при режимах ионного травления составляет 200¸240 Å.

Анализируя параметры InР, GaAs, InAs, InGaAs, которые могли бы быть использованы для объяснения получаемых экспериментальных результатов, и устанавливая их связь с параметрами границы раздела СО-полупроводник, можно конечно опираться на энергию образования связи А³В⁵, возрастающую в ряду InAs, InGaAs, GaAs, InР, GaР. Об этом, в частности, можно судить по возрастанию теплообразования полупроводниковых соединений в ряду InAs, GaAs, InР, GaР, которые составляют для указанных соединений, соответственно, -14; -17; -21,2 и 24,4 ккал/моль.

ABSTRACT

In the proposed article practical information about perspectives of the crystal indium phosphide is provided which is a material for producing a number of important semiconductor devices: field effect transistors, generators of low and high frequency, power converters. Also, surface state of its own oxide of indium phosphide (СО-InР) is studied by the method of Auger spectroscopy and it is found that CO-InP is substantially narrower transition region and has considerably less disturbed stoichiometry (А³В⁵) of semiconductor compounds in this field. MOS structures based on indium phosphide are more optimum compared with other MOS structures to create a microwave field effect transistors and MOS integrated circuits (IC). The thickness of the transition region itself (CO-InP) under conditions of ion etching is 200¸240 Å.

Analyzing parameters of InP, GaAs, InAs, InGaAs, which could be used to explain the obtained experimental results, and establishing their connection with parameters of the interface between CO-semiconductor, it is possible to rely on the energy of bond formation А³В⁵ increasing in a number of InAs, InGaAs, GaAs , InP, GaR. This, in particular, can be seen in increasing heat generation of semiconductor compounds among InAs, GaAs, InP, GaR that are -14; -17; 24.4 and -21.2 kcal / mol for these compounds, respectively. 

Изучение всей совокупности процессов межфазных взаимодействий и электронных свойств металл–полупроводник (МП), металл–тонкий диэлектрик–полупроводник (МТДП) и металл–оксидный слой–полупроводник (МОП) структур стало важным. Причем эта важность диктовалась необходимостью решения как фундаментальных задач по выяснению природы явлений и процессов, которые протекают в слоистых структурах на соединениях А³В⁵ (А³-элемент 3-группы, В⁵-элемент 5-группы) при формировании и определяют их электрофизические характеристики, так и прикладных проблем.

Фосфид индия (InP) рассматривается как один из наиболее перспективных материалов А³В⁵ для применения в оптоэлектронике сверхвысокой частоты (СВЧ), в связи с этим решение задачи изготовления МП, МТДП и МОП-структур с требуемыми свойствами считалось важным звеном на пути практической реализации потенциальных возможностей данного материала.

Рассмотрим на некоторых литературных данных, посвященных свойствам диодных структур металл–полупроводник (МП) или металл–окисел–полупроводник (МОП), на основе фосфида индия. Фосфид индия – полупроводник с прямой запрещенной зоной, величина которой Е_g=1,34 эВ при Т=300 К и довольно высокими значениями подвижности носителей тока, (m_n»(4¸5)^.10³ см²/В·с, Т=300 К). Как уже отмечалось, он является весьма перспективным материалом для создания ряда важных полупроводниковых приборов: полевых транзисторов, генераторов низкой и высокой частоты, преобразователей энергии.

Для решения этих практических задач и ряда научных вопросов, в первую очередь касающихся свойств поверхности, диодные структуры МП и их модификации являются также очень перспективными.

Такого рода структуры на основе InP стали создаваться и интенсивно исследоваться лишь в последние несколько лет [2].

Поскольку качество потенциальных приборов зависело от таких характеристик диодной структуры, как высота барьера, низкие токи насыщения, эффективная плотность поверхностных состояний, то основные работы касались разработки соответствующей технологии и исследования свойств диодных структур по их вольт-амперных (ВАХ) и вольт-ёмкостным (ВФХ) характеристикам и без должного анализа процессов фазовых взаимодействий, протекающих в оксидах и на границе раздела оксид–полупроводник при их формировании и последующем отжиге. Поэтому даже при большом объеме поступающей информации о МОП, МТДП структурах на InР природа многих наблюдаемых явлений и эффектов, связанных, например, с низкой термической стабильностью параметров собственных оксидов, размытием границы раздела собственный оксид–полупроводник, нарушением стехиометрии полупроводников в переходной области и т.д., остается проблемной. Нет полной ясности и в результатах исследований, направленных на оптимизацию методов формирования МОП и МТДП структур и поиск решений, с помощью которых можно снизить плотность поверхностных состояний и повысить временную и термическую стабильность параметров МОП и МТДП структур.

При таком положении уже не вызывает сомнения, что проведение большого комплекса измерений, направленных на получение столь важной информации об элементном и фазовом составе собственных оксидов на InР, и установление их взаимосвязи с электрофизическими характеристиками МОП и МТДП структур переходит из разряда желаемого в разряд необходимого и обязательного.

Получение этой информации необходимо и для лучшего понимания, а следовательно, и объяснения ряда ранее наблюдаемых эффектов, связанных с особенностями влияния толщины и режимов формирования собственных оксидов на характеристики МОП-структур.

В качестве основных методов исследования, используемых для определения элементного и химического состава анализируемых объектов, были выбраны наиболее распространенные и доступные методы физико-химического анализа ИК, в частности спектроскопия.

МОП-структуры с собственными оксидами на InР обладают значительно более низкой плотностью поверхностных состояний на границе раздела, чем аналогичные структуры на основе большинства соединений А³В⁵. К последним относятся и соединения GaAs, In_0,47, Ga_0,53, As и In_0,89, Ga_0,11, As_0,24, P_0,76, которые по своим электрофизическим характеристикам, так же как и InР, перспективны для применения в СВЧ электронике [1].

Из-за повышенной энергетической плотности (ПЭС) на границе раздела окисел–полупроводник область эффективного применения этих соединений в настоящее время ограничена областью полупроводникового приборостроения, основанного на использовании объемных эффектов, барьеров Шоттки и гомо- и гетеропереходов, и не охватывает сферу МОП-технологии, используемой для создания СВЧ МОП полевых транзисторов и интегральных схем (ИС). В связи с этим возникает закономерный вопрос. По какому признаку МОП-структуры на InР более оптимальны по сравнению с МОП-структурами на основе GaAs, InGaAs и InGaAsР и в чем причина такого положения [3]. Для ответа на этот вопрос мы провели сравнительный анализ оже-профилей этих структур.

Исследование показало, что наиболее характерным отличием в поведении оже-профилей (собственный оксид) СО - InР является существенно более узкая переходная область и СО - InР со значительно менее выраженным нарушением стехиометрии (А³В⁵) полупроводникового соединения в этой области. Если для СО на InР в переходной области соотношение In/Р»1, то для InGaAs и GaAs мы отмечаем значительное обогащение переходной области по As. (GaIn)/As << 1, а для InGaAsP по индию. Что касается толщины самой переходной области СО–полупроводник, то в ряду InР, GaAs, InGaAs, InGaAsР она возрастает более чем в 2 раза, изменяясь при данных режимах ионного травления от 80¸100 Å до 200¸240 Å.

Анализируя параметры InР, GaAs, InAs, InGaAs, которые могли бы быть использованы для объяснения получаемых экспериментальных результатов и устанавливая их связь с параметрами границы раздела СО–полупроводник, можно, безусловно, опираться на энергию образования связи А³В⁵, возрастающую в ряду InAs, InGaAs, GaAs, InР, GaР. Об этом, в частности, можно судить по возрастанию теплообразования полупроводниковых соединений в ряду InAs, GaAs, InР, GaР, которые составляют для указанных соединений, соответственно, -14; -17; -21,2 и 24,4 ккал/моль.

Анализируя равновесные диаграммы состояния различных тройных систем In-Р-О, Ga-As-О, In-As-О, Ga-Р-О, пришли к выводу, что если для InР и GaР наиболее термодинамическими вероятными являются диаграммы состояний (рис. 1), указывающие на возможность достижения высокого совершенства границы раздела АО–InР (этот вывод основывается на высокой термодинамической вероятности образования) при окислении InР и GaР оксидов InРО₄, GaРО₄ или смеси In₂О₃+Р₂О₅; Ga₂О₃+Р₂О₅, которые характеризуются соотношением InР=GaР<1, то для GaAs и InAs, а следовательно, и для InGaAs и по-видимому InGaAsР, эти диаграммы имеют значительно более сложный вид.

Рисунок 1. Дифрактограммы окисных слоев на InP

Термодинамика процесса окисления полупроводника контролирует характеристики границы раздела СО-полупроводник, можно рассматривать и отсутствие, по крайней мере, в пределах родственных элементов А³ и В⁵, корреляции между степенью размытия оже-профилей и ионным радиусом элементов. Последний характеризует способность элементов к перемещению образующегося оксида. Для сравнения отметим, что ионный радиус кислорода составляет: 1,4 Å, In-0,81 Å, Ga - 0,62 Å, As - 0,43 Å, Р - 2,12 Å.