Influence of annealing on the lateral homogeneity of Ti/InAlAs Schottky barriers

全文:

Введение

Барьер Шоттки (БШ) Ti/i(n)-In_0.52Al_0.48As(001), используемый при создании СВЧ-транзисторов и фотодетекторов микроволнового диапазона [1, 2], во многом определяет характеристики работы, долговременную стабильность и надежность данных приборов. В этой связи важной технологической задачей является формирование однородной границы раздела с воспроизводимыми электрофизическими параметрами БШ (высота барьера φ_b, коэффициент идеальности n). Из-за высокой адгезии и низкого коэффициента диффузии для формирования БШ на основе InAlAs наиболее широко применяется Ti. Для близких к идеальному (n < 1.1) Ti/InAlAs БШ типичные значения φ_b составляют 0.64–0.71 эВ [3]. Как известно [4], помимо отклонения от теории термоэлектронной эмиссии (ТЭ), связанного с коэффициентом идеальности, в реальных БШ наблюдается низкотемпературная аномалия, которая выражается в уменьшении φ_b и увеличении n при уменьшении температуры измерения вольтамперных характеристик (ВАХ). В наиболее обоснованной и актуальной модели Танга [5], данный эффект объясняется введением локальных областей с отличающимися от основной площади контакта значениями φ_b и n. Причины возникновения таких областей, как правило, связывают с различными локальными неоднородностями [6]. Для Ti/InAlAs БШ ранее было показано, что неоднородность высоты барьера напрямую связана с плотностью характерных ростовых структурных дефектов слоев InAlAs [7], сформированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии [8]. Также известно, что отжиг может существенно изменять электрофизические параметры БШ и индуцировать твердотельные процессы [9, 10].

Графики Ричардсона являются актуальным и информативным инструментом для анализа однородности распределения высоты БШ [11–14]. При их линейной аппроксимации можно определить значения высоты барьера и постоянную Ричардсона. Наблюдающееся при низких температурах отклонение от линейной зависимости связано с влиянием неоднородности высоты барьера. При модификации в рамках модели Танга графики Ричардсона, как правило, спрямляются в области низких температур, что позволяет определить высоту однородного барьера [3]. К настоящему моменту анализ на основе графиков Ричардсона изменения однородности электрофизических параметров для Ti/InAlAs БШ до и после температурного воздействия не проводился.

В данной работе было изучено влияние температуры (300–450 °C) и времени (0–20 мин) отжига на температурные (80–350 K) зависимости вольт-амперных характеристик (I–V–T) и однородность Au/Pt/Ti/i(n)-In_0.52Al_0.48As(001) БШ в рамках модели Танга [5].

Особенности эксперимента

Дизайн используемых гетероструктур, а также особенности формирования мезаструктур и омического контакта подробно описаны в работах [7, 10]. БШ диаметром 50 мкм формировались методом взрывной фотолитографии слоями Au/Pt/Ti (200/30/80 нм), которые осаждались методами электронно-лучевого (Ti) и резистивного (Pt, Au) испарения. Поверхность меза-структур пассивировали слоем SiO₂ (200 нм) при температуре 250 °C. Отжиг проводили в проточной камере в атмосфере формовочного газа (95% N₂, 5% Н₂). Измерения темновых ВАХ проводили в термостатированной камере с контролем температуры с помощью анализатора полупроводниковых приборов Keysight B1500A. φ_b и n определяли стандартно в рамках теории ТЭ с использованием значений постоянной Ричардсона R = 10.1 А∙см^{– 2}∙K^{– 2} [7] и площади контакта A = 1.963·10⁵см².

Результаты

На рис. 1 представлены графики средних значений φ_b (а) и n (б) в зависимости от продолжительности отжига при различных температурах. Усреднение проводилось по данным (пустые квадраты) для не менее трех различных контактов. БШ до отжига (0 мин) характеризовались типичными для Ti/InAlAs значениями φ_b = 0.69–0.7 эВ при n = 1.08–1.12.

 

Рис. 1. Зависимость высоты барьера φ_b (а) и коэффициента идеальности n (б) от времени отжига t при температурах 300 (кривая 1), 350 (кривая 2) и 400 °C (кривая 3). Прямые ветви зависимостей тока I от напряжения V для Ti/InAlAs БШ (в) до отжига (кривая 1), а также отожженных в течение 20 мин при температурах 300 °C (кривая 2), 350 °C (кривая 3), 400 °C (кривая 4) и 450 °C (кривая 5).

 

Отжиг при температурах 300 (кривая 1) и 350°C (кривая 2) схожим образом воздействует на параметры БШ (рис. 1а и 1б). После 5 мин отжига наблюдается увеличение φ_b на 0.1 эВ, при этом n уменьшается до значений 1.06–1.09. При последующем отжиге (10–20 мин) при 300 °C φ_b практически не изменяется, а при 350 °C плавно уменьшается до изначального значения 0.69 эВ. При этом n не изменяется для обеих температур. При повышении температуры отжига до 400 °C (кри вая 3) в первые 5–10 мин наблюдается линейный рост параметров φ_b и n до значений 0.73 эВ и 1.3 соответственно. Далее (10–20 мин) параметры значительно не изменяются. На рис. 1в в полулогарифмическом масштабе приведены характерные прямые ветви ВАХ исходных (кривая 1) и отожженных в течение 20 мин при различных температурах (кривые 2–5) структур с БШ. Внешний вид ВАХ существенно не изменяется при температурах отжига до 350 °C включительно, а при 400 °C значение тока уменьшается на порядок и наблюдается увеличение наклона прямой, что связано с повышением φ_b и n. Для 450 °C отжига параметры не рассчитывались поскольку уже через 5 мин происходила деградация БШ.

Для изучения влияния отжига на неоднородность БШ были измерены I–V–T зависимости (80–350 К) для образцов с БШ не подвергавшихся отжигу и отожженных при температурах 300°C (рис. 2а) и 400°C (рис. 2б) в течение 20 минут. На рис. 3 представлены соответствующие данным образцам зависимости параметров φ_b и n от температуры [φ_b-T (кривая 1) и n-T (кривая 2)] для БШ после отжига при 300 (а) и 400 °C (б). Значения φ_b и n получены при анализе токов в диапазоне 10^–10–10^–5 А. Зависимости для БШ до отжига существенно не отличаются от структур, отожженных при 300 °C, и поэтому не представлены. Таким образом, отжиг при 300 °C продолжительностью до 20 минут не приводит к существенным изменениям количества (площади) неоднородностей и/или высоты их локального барьера по сравнению с исходными БШ. В совокупности с данными работы [7] можно сделать вывод, что неоднородность в этом случае преимущественно определяется ростовыми структурными дефектами на исходной поверхности InAlAs.

 

Рис. 2. Прямые ветви зависимостей тока I от напряжения V для Ti/InAlAs БШ, отожженных при температуре 300 °C (а) и 400 °C (б) в течение 20 мин, измеренные при температурах 80 К, затем от 100 до 350 с шагом 25 K.

 

При относительно высоких температурах (> 225 К) зависимости φ_b-T и n-T во всех случаях демонстрируют плато со слабым изменением параметров (рис. 3). Это хорошо коррелирует с теорией ТЭ [4], так как при данных температурах, в основном, протекание тока определяется однородным контактом с соответствующими значениями φ_b и n. При понижении температуры заметный вклад начинают вносить локальные области с более низкими значениями высоты барьера, что вызывает уменьшение эффективных значений φ_b и увеличение эффективных значений n (рис. 3), определенных из прямых ветвей ВАХ (рис. 2). Для образцов, отожженных при 400 °C, изменение параметров БШ начинается при более низкой температуре и меньше по абсолютной величине, что свидетельствует об улучшении однородности БШ.

 

Рис. 3. Температурные зависимости высоты барьера (φ_b-T, кривая 1) и коэффициента идеальности (n-T, кривая 2) для Ti/InAlAs БШ, отожженных при температуре 300 °C (а) и 400 °C (б) в течение 20 мин. На вставках зависимость φ_b-n.

 

При температурах ниже 225 К зависимости φ_b-T и n-T (рис. 3) хорошо описываются моделью Танга [5], предполагающей гауссово распределение вводимого параметра неоднородных областей, который зависит от линейного размера и величины уменьшения высоты барьера относительно однородной области БШ. Таким образом, значение стандартного отклонения гауссова распределения (σ) данного параметра косвенно указывает на степень неоднородности БШ. Детали расчета значения σ описаны в работе [3]. Рассчитанные значения σ для БШ, отожженных при 300 и 400 °Cв течение 20 мин составляют 1.2‧10^–4 и 8.3‧10^–5 см^2/3∙В^1/3 соответственно. Таким образом, в отличие от 300 °C, 20 мин отжиг при 400 °C, приводит к заметному (в 1.5 раза) снижению значения σ по сравнению с изначальным. В рамках модели Танга этот эффект можно интерпретировать как уменьшение площади, занимаемой областями с пониженной высотой барьера, и/или уменьшение разницы в высоте барьера (Δφ_b) между этими областями и однородным БШ. Данное улучшение однородности контакта Шоттки, согласно работам [9, 10], может быть связано с происходящими при тех же условиях отжига твердотельными реакциями с образованием слоя TiAs и формированием новой физической границы раздела Ti/TiAs. Отметим, что дополнительным аргументом [3] к использованию модели Танга является наличие линейной зависимости φ_b от n при температурах 80–200 K (на вставках к рис. 3а и 3б).

Графики Ричардсона в рамках теории ТЭ (пустые квадраты) и модели Танга (заполненные квадраты) представлены на рис. 4 соответственно для БШ отожженных при температуре 300 (а) и 400 °C (б).

 

Рис. 4. Графики Ричардсона для Ti/InAlAs БШ, отожженных при температуре 300 °C (а) и 400 °C (б) в течение 20 мин, в рамках теории ТЭ (пустые квадраты) и модели Танга (заполненные квадраты).

 

В случае БШ после отжига при температуре 300°C (рис. 4a) для немодифицированного графика зависимость линейна только в диапазоне температур 250–350 K. Наклон и точка пересечения аппроксимирующей кривой дают значения φ_b = 0.70 эВ, хорошо согласующееся с теорией ТЭ, и R = 8.0 А∙см^–2∙K^–2, близкое к теоретическому (10.1 А∙см^–2∙K^–2). Модифицированный график имеет линейную зависимость в диапазоне температур 100–225 К. Аппроксимация при этих температурах дает значение = 0.87 эВ, что хорошо согласуется с результатом для схожего неотожженного Ti/InAlAs БШ [3], и R = 5.3 А∙см^–2∙K^–2.

В случае БШ, отожженных при температуре 400 °C (рис. 4б), немодифицированный график имеет линейную зависимость в большем диапазоне температур (200–350 K), а отклонение при низких температурах выражено слабее. Рассчитанные значения φ_b и R составляют 0.73 эВ и 9.2 А∙см^–2∙K^–2 соответственно. Значение составляет 0.76 эВ, а модифицированная постоянная R имеет значение 0.2 А ∙ см^–2 ∙ K^–2, что значительно меньше теоретического.

Заключение

Таким образом, было показано, что отжиг продолжительностью до 20 мин при температурах до 350 °C практически не влияет на абсолютные значения и однородность распределения параметров Au/Pt/Ti/i(n)-In_0.52Al_0.48As(001) барьеров Шоттки. Отжиг при температуре 400 °C (10 минут) приводит к увеличению высоты барьера φ_b и коэффициента идеальности n до значений 0.73 эВ и 1.3 соответственно. Анализ температурных зависимостей параметров в рамках модели Танга показал, что в результате 400 °C отжига происходит существенное уменьшение значения σ с 1.2‧10^–4 до 8.3‧10^–5 см^2/3∙В^1/3. На основе модифицированных графиков Ричардсона было показано, что при этом происходит уменьшение однородной высоты барьера Шоттки c 0.87 до 0.76 эВ, однако существенно уменьшается разница между измеряемой φ_b и однородной высотой барьера (с 0.17 до 0.03 эВ). Таким образом отжиг (400 °C, 20 мин) значительно уменьшает влияние (плотность) локальных областей с пониженной высотой барьера и приводит к улучшению латеральной однородности Au/Pt/Ti/i(n)-In_0.52Al_0.48As(001) барьеров Шоттки.

作者简介

I. Genze

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk National Research State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: genze@isp.nsc.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk; Novosibirsk

M. Aksenov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk National Research State University

Email: genze@isp.nsc.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk; Novosibirsk

D. Dmitriev

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: genze@isp.nsc.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk

参考

补充文件