НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ФУРСЕНКО ОКСАНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 535.3:535.51

ОПТИЧНІ ТА ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

ТВЕРДОТІЛЬНИХ СТРУКТУР МЕТАЛ-НАПІВПРОВІДНИК

(GaAs, InP, Si) З ПЕРЕХІДНИМ ШАРОМ

01.04.07 — фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико — математичних наук

Київ — 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Дмитрук Микола Леонтійович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідуючий відділом поляритонної оптоелектроніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Фекешгазі Іштван Вінцейович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідуючий відділом нелінійних оптичних систем;

доктор фізико-математичних наук, професор

Шайкевич Ігор Андрійович,

Національний Університет ім. Т.Г.Шевченка,

професор кафедри оптики

Провідна установа: Інститут фізики НАН України,

відділ фотоактивності, м.Київ.

Захист відбудеться “ 19 ” листопада 1999 р. о 1415 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01

при Інституті фізики напівпровідників НАН України

за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 41.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики
напівпровідників НАН України (03028, Київ — 28, проспект Науки, 45 ).

Автореферат розісланий “ 18 “ жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Структури з бар’єром Шотткі в контакті
метал-напівпровідник (МН) знаходять широке застосування як у
мікроелектроніці, так і в оптоелектроніці. Так, для фотоперетворювачів
сонячної енергії перспективними є виготовлені на основі сполук типу A3B5
(GaAs, InP) та Si тонкоплівкові структури. Відомо, що їх
фотоелектрорушійна сила та коефіцієнт корисної дії суттєво зростають при
наявності між напівпровідником та металом тонкого тунельно-прозорого
перехідного (проміжного) шару, яким може виступати, наприклад, окислена
поверхня напівпровідника. Такий шар впливає як на структуру енергетичних
станів і механізм струмопроходження, так і на інтенсивність світла, що
проходить крізь напівпрозорий шар металу в напівпровідник, а значить і
на генерацію електронно-діркових пар, чим визначає оптичні втрати в
фотоперетворювачі. Тому для оцінки значення коефіцієнта розділення
електронно-діркових пар у фотоперетворювачі з проміжним шаром та вибору
його оптимальної товщини для різних умов використання таких приладів
необхідно знати коефіцієнт пропускання світла такими структурами, що в
свою чергу вимагає знання оптичних параметрів проміжного шару. Важливо
також контролювати зміну останніх в процесі технологічних операцій
виготовлення структури метал – проміжний (тунельно-тонкий) шар –
напівпровідник.

Нещодавно розпочаті дослідження фоточутливості тонкоплівкових структур
МН в лінійно-поляризованому випромінюванні (ЛПВ) призвели до виявлення
явища наведеного фотоплеохроїзму, характеристики якого вказують на
перспективність застосування цих систем в поляризаційній
фотоелектроніці. В зв’язку з цим особливий інтерес становлять
дослідження впливу проміжного шару на фотоплеохроїзм, в тому числі з
врахуванням характеру мікрорельєфу активних меж поділу, що може знайти
застосування при створенні поляризаційно-чутливих фотоприймачів, що
працюють при похилому падінні електромагнітного випромінювання.

Оскільки важливою складовою частиною поверхнево-бар’єрних структур на
основі контакту МН є тонка металева плівка, то інформація про її стан,
оптичні параметри та їх зміну з часом, має суттєве значення для
прогнозування роботи електронних приладів і контролю їх деградації.

У зв’язку з тим, що основним матеріалом, який використовується у
сучасній мікроелектроніці, є кремній, структури на його основі
викликають особливий інтерес, оскільки взаємодія плівок перехідних
металів, зокрема кобальту, з кремнієм із утворенням перехідних шарів –
силіцидів використовується у технології виготовлення інтегральних
мікросхем. Фазові перетворення, що виникають внаслідок термообробки,
можуть суттєво змінювати параметри цього перехідного шару.

Нанесення оксидів рідкоземельних елементів на поверхню кремнію неминуче
супроводжується деякою модифікацією шару власного оксиду SiOx, що завжди
існує на реальній поверхні Si. Цей шар разом із шарами невласних оксидів
утворюється на початковій стадії нанесення і є перехідним шаром,
властивості котрого суттєво впливають на характеристики структури
діелектрик-напівпровідник та метал-діелектрик-напівпровідник (МДН).
Зокрема, інформація щодо оптичних параметрів таких шарів має важливе
значення для визначення оптимальних умов проникнення світла у робочу
область структури.

В зв’язку з цим, дисертаційну роботу присвячено вдосконаленню оптичних
методів дослідження тонкоплівкових структур та дослідженню оптичних і
фотоелектричних властивостей твердотільних структур МН (GaAs, InP, Si) з
перехідними шарами різної фізико-хімічної природи:

– проміжний шар власного оксиду на поверхні напівпровідника в структурах
метал — тунельно-тонкий оксид — напівпровідник;

– узгоджуючий шар між інтегрально виготовленими хвилеводом і
фотодетектором;

– ефективний шар, яким може бути описана мікрорельєфна поверхня чи межа
поділу;

– силіцидний шар, утворений при взаємодії перехідного металу, зокрема
кобальту, з кремнієм;

– діелектричний шар власного оксиду напівпровідника та оксидів
рідкоземельних елементів в структурах діелектрик-напівпровідник.

Проведення таких досліджень необхідне для з’ясування загальних
закономірностей модифікації оптичних та фотоелектричних властивостей
вищеназваних структур з перехідними шарами в залежності від оптичних
параметрів і товщин шарів, зміни мікрорельєфу поверхні напівпровідника,
хімічних реакцій на межі розділу і ступеня деградації тонкої металевої
плівки, технологічних операцій процесу виготовлення структур, фазових
перетворень, що виникають внаслідок термообробки в різних середовищах,
тощо.

Зв’язок з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась в
рамках тем:

«Дослідження електронно-поляритонних явищ в твердотільних структурах на
основі напівпровідників А3В5 з мікрорельєфною поверхнею, розробка нових
оптоелектронних приладів і автоматизованих методів електрофізичної
діагностики матеріалів і структур мікро- і оптоелектроніки», 1990–1994
р.р. (Постанова Бюро ВФА АН України № 10 від 19.12.1989 р., номер держ.
реєстрації 0193U028658).

«Дослідження фізичних властивостей, розробка технологій і методів
контролю складних плівкових систем на основі GaAs і SiC з метою
створення приладів для сенсорної, електронної, оптоелектронної техніки»,
1993-1997 р.р. (Розпорядження Мінекономіки України № 12-5718 від
24.09.1993 р.).

«Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації
матеріалів під дією зовнішніх чинників і створення технологій приладів і
пристроїв оптоелектроніки», 1995-1999 р.р. (Постанова Бюро ВФА НАН
України № 9 від 20.12.1994 р., номер держ. реєстрації 0195U010991).

«Розробка поляризаційно-чутливих датчиків електромагнітного поля для
цілей інтегральної оптики», 1992-1994 р.р. (Проект ДКНТ 5.44.09/011
Державної науково-технічної програми 5.44.09 «Дослідження і розробка
фізико-технологічних принципів, методів, елементів та пристроїв
інтегральної оптики»).

«Розробка елементів сенсорної та оптоелектронної техніки на основі нової
технології виготовлення періодичних структур на поверхні
напівпровідників», 1997-1998 р.р. (Проект № 6.97.262; Договір
№ 8/1470-97 від 10.10.1997 р. між Міннауки та ІФН НАН України).

Метою дисертаційної роботи є дослідження оптичних властивостей
твердотільних компонент бар’єрної структури метал-напівпровідник з
проміжним шаром різної фізико-хімічної природи та їх впливу на оптичні
та фотоелектричні характеристики структури в цілому. Реалізація
поставленої мети вимагала вирішення таких задач:

1. Розробка комбінованого оптичного методу визначення параметрів
двошарових поглинаючих плівок на прозорих і поглинаючих підкладинках.

2. Вивчення впливу наявного проміжного шару в контакті МН з
потенціальним бар’єром на оптичні та фотоелектричні характеристики в
залежності від кута падіння, поляризації, енергії квантів світла, що
падає на структуру (ефект фотоплеохроїзму).

3. Встановлення впливу мікрорельєфу поверхні напівпровідника на
поляризаційну залежність фотоструму контакту МН та кількісний опис його
в моделі ефективного середовища.

4. Вивчення взаємозв’язку між оптичними параметрами та фізико-хімічними
перетвореннями, що відбуваються в твердій фазі внаслідок термообробки
структур метал — кремній з утворенням силіцидних шарів.

5. Вивчення деградації напівпрозорих металевих плівок, які є складовою
частиною тонкоплівкових бар’єрних контактів МН, під дією різних активних
чинників.

Вибір об’єктів та методів дослідження визначався поставленою задачею.
Як відомо, елементну базу мікро- та оптоелектроніки на сьогоднішній день
складають напівпровідники Si, GaAs, InP, тому вони стали базовими для
досліджуваних в роботі структур. Першу групу складали структури типу
МДН: метал (Au, Ag) – власний оксид напівпровідника (О) – напівпровідник
(GaAs, InP) з різною шорсткістю поверхні напівпровідника, які мають
широке практичне застосування в сучасних приладах мікроелектроніки, у
фотоперетворювачах та фотоприймачах для видимої, ближньої
ультрафіолетової та інфрачервоної областей спектру. Другу групу складали
структури на основі кремнію: з перехідним металом (Co) , що піддавались
термообробці в різних середовищах та при різних температурах з
утворенням силіцидів, а також з діелектриками (оксидами рідкоземельних
елементів), отриманими методом «вибухового» випаровування у вакуумі.

Вибір вищеназваних об’єктів досліджень значною мірою обумовлений
можливістю їх моделювання двошаровими поглинаючими системами на
підкладинках та вивчення їх властивостей, головним чином, методом
багатокутової еліпсометрії. Але традиційний еліпсометричний метод
дослідження при його неруйнівному характері щодо досліджуваних об’єктів
та високій чутливості до будь-яких змін на поверхні і в самій структурі,
не завжди спроможний визначити причини цих змін, що виникають, як
правило, в результаті хімічних і структурно-морфологічних перетворень у
системах. Тому важливо застосовувати вдосконалені комплексні методи
досліджень, зокрема, із залученням еліпсометричних вимірювань у режимі
збудження поверхневих поляритонів, даних щодо оптичного пропускання
систем, електричних та фотоелектричних досліджень, мікроскопії та
оже-електронної спектроскопії.

Наукова новизна полягає у наступному:

1. Розроблено новий комбінований еліпсометричний метод визначення
оптичних параметрів та товщин двошарових поглинаючих структур на
прозорих підкладинках при звичайному зовнішньому відбиванні світла та в
режимі збудження поверхневих поляритонів (при ослабленому повному
відбиванні (ОПВ) за схемою Кречмана), із залученням спектрів оптичного
пропускання досліджуваних структур.

2. Визначено характер зміни оптичних параметрів проміжного оксидного
шару між металом та напівпровідником (на прикладі структур Au-О-GaAs)
внаслідок твердофазних хімічних реакцій в процесі нанесення металу при
створенні бар’єрної структури. Показано, що коефіцієнт заломлення n
оксиду при цьому зменшується, а коефіцієнт поглинання k стає відмінним
від нуля.

3. Вперше кількісно проаналізовано поляриметричний ефект при похилому
падінні світла на межу поділу МН із врахуванням проміжного
діелектричного шару.

4. З’ясовано вплив мікрорельєфу поверхні напівпровідника на
поляризаційну залежність фотоструму бар’єрних структур МН та описано
його в моделі ефективного середовища. У випадку квазідвовимірного
мікрорельєфу виявлено новий механізм підсилення фоточутливості бар’єрних
структур МН внаслідок збудження поверхневих плазмон-поляритонів (ППП) як
при ТМ-, так і ТЕ-поляризації світла.

5. Продемонстровано ефективність методів багатокутової еліпсометрії для
досліджень процесів хімічних перетворень в тонких шарах срібла, в
твердофазних системах Со-Si при різних режимах термообробки
(силіцидоутворення), у визначенні товщинних залежностей оптичних
параметрів рідкоземельних плівок CeO2, отриманих методом «вибухового»
випаровування.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

а) запропонуванні неруйнівного комплексного оптичного методу дослідження
двошарових поглинаючих плівок, осаджених на прозорі підкладинки, в
основу якого покладено звичайну та із збудженням ППП багатокутову
еліпсометрію і спектроскопію пропускання світла;

б) обгрунтуванні можливості використання фотоплеохроїзму при похилому
падінні ЛПВ на межу поділу МН з проміжним шаром для розробки
високочутливих аналізаторів ЛПВ;

в) встановленні деполяризуючого впливу мікрорельєфу поверхні
напівпровідника та можливості використання цього ефекту для експресного
контролю оптичної якості шарів тонкоплівкових бар’єрних структур;

г) встановленні додаткового механізму підсилення фоточутливості структур
з квазідвовимірним мікрорельєфом, пов’язаного із збудженням ППП, що може
бути використаним в приладах поляритонної оптоелектроніки зі
специфічними функціональними характеристиками;

д) запропонуванні результатів дослідження деградації тонких металевих
плівок (Ag) для практичного прогнозування надійності роботи бар’єрних
структур, в тому числі в агресивних хімічних середовищах.

В цілому, результати досліджень важливі для вдосконалення технології
виготовлення твердотільних структур для опто- і фотоелектронних
пристроїв, оптимізації їх параметрів, підвищення ефективності їх роботи.
Розроблені методи оптичних досліджень і розв’язування оберненої задачі
еліпсометрії двошарових поглинаючих плівок на поглинаючих підкладинках,
звичайно, можуть бути використані для дослідження інших твердотільних
структур.

Особистий внесок здобувача. Конкретна участь О.В.Фурсенко в отриманні
представлених в дисертації наукових результатів полягала в обговоренні
проблемних завдань, теоретичних розрахунках, підготовці та проведенні
всіх експериментів, за виключенням експериментів оже-електронної
спектроскопіїї та мікроскопії атомних сил, в аналізі одержаних
результатів. Постановка завдання та інтерпретація результатів проведені
в творчій співдружності зі співавторами відповідних наукових робіт.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертації
доповідались на: IV та V Мiжнародній конференцiї з фiзики i технології
тонких плiвок (Iвано-Франкiвськ, 1993, 1995); Міжнародній школі «Оптика
конденсованого стану» (Київ, 1993); II Міжнародному науковому семінарі
«Багатошарові, варізонні та періодичні напівпровідникові структури та
прилади на їх основі» (Нукус, 1993); 17th and 21th Annual Semiconductor
Conference (CAS’94, CAS’98) (Sinaia, Romania, 1994, 1998); XII
Республіканській та XIII Національній школі-семінарі «Спектроскопія
молекул та кристалів» (Ніжин, 1995 та Суми, 1997); SPIE/Pl’s
International Conference «Polarimetry and Ellipsometry» (Kazimierz
Dolny, Poland, 1996); International Workshop on Advanced Technologies of
Multicomponent Solid Films and Structures and Their Application in
Photonics (Ужгород, 1996); 7th Joint Vacuum Conference of Hungary,
Austria, Croatia and Slovenia (Debrecen, Hungary, 1997); International
School-Conference for Young Scientists «Solid State Physics:
Fundamentals and Applications» (SSPFA’97) (Kацивелі, Крим, 1997); 5th
International Workshop BIADS’98 (Beam Injection Assessment of Defects in
Semiconductors) (Wulkow, Germany, 1998).

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано в 19 роботах, в
тому числі 8 статей в міжнародних реферованих фахових журналах, 5 в
матеріалах міжнародних конференцій, 6 тез доповідей на міжнародних
конференціях.

Список основних робіт подано в кінці автореферату.

Структура і об’єм роботи. Дисертація повним обсягом 131 сторінка
складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних
джерел із 138 найменувань, містить 42 рисунки та 8 таблиць.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовaно актуальність тематики дисертації, сформульовано
мету та задачі, що вирішуються, показано наукову новизну і практичну
цінність результатів, коротко викладено зміст дисертації.

У першому розділі описано технологію отримання твердотільних структур
метал-напівпровідник з перехідним шаром, а саме: а) Au(Ag)-O-GaAs(InP) з
різною шорсткістю поверхні напівпровідника; б) Со-Si; в) CeO2-SiO2-Si.

Описано експериментальні методи, що використовувались для дослідження
властивостей тонких твердотільних шарів на поверхні напівпровідника,
зокрема, еліпсометричний, методи електричних і фотоелектричних
вимірювань, оже-електронної спектроскопії, мікроскопії атомних сил;
описано відповідні експериментальні установки. Проаналізовано основні
особливості еліпсометрії при визначенні параметрів двошарових структур
на поглинаючій підкладинці. Розглянуто методику обробки
експериментальних да-них, а саме проблему однозначності розв’язування
оберненої задачі еліпсометрії шляхом спе-ціального вибору цільової
функції, а також з врахуванням парної кореляції між параметрами.

У другому розділі розглянуто особливості взаємодії електромагнітного
випромінювання із багатошаровими структурами з ізотропних твердотільних
компонент при похилому падінні ЛПВ та її залежності від параметрів
проміжного шару та мікрорельєфу поверхні.

В рамках класичної фізики одержано формули та розроблено програми для
обчислення коефіцієнтів відбивання і пропускання світла для двошарових
структур на напівпровід-никових підкладинках (зокрема структур МН з
проміжним діелектричним шаром) в залеж-ності від кута падіння (,
поляризації світла, енергії падаючих квантів. Це дало можливість
кількісно проаналізувати поляриметричний ефект, що характеризується
відношенням пропус-кання світла p- та s-поляризації при похилому падінні
ЛПВ на структуру МН і обумовлений нееквівалентністю проходження
світлової хвилі p- та s-поляризацій в фотоактивну область
напівпровідника. Було встановлено суттєвий вплив природи бар’єрного
металу та його тов-щини на поляриметричний ефект, окрім відомого з
літератури погляду про основний внесок тільки процесів на вільній
поверхні напівпровідника. Виявлено підсилення поляриметричного ефекту в
довгохвильовій області спектру та зменшення у короткохвильовій із
збільшенням товщини шару металу (рис.1), що слід враховувати при
вивченні деполяризуючого впливу мікрорельєфу поверхні, а також існування
так званих критичних точок (довжин хвиль), де відсутній вплив металевої
плівки на поляриметричне співвідношення Tp*/Ts*.

Встановлено, що характер впливу проміжного шару на фотоплеохроїзм
залежить як від довжини хвилі падаючого світла, так і від оптичних
параметрів контактуючих середовищ, в тому числі від товщини шару металу
(рис.2).

Рис.1. Спектральні залежності поляриметричного відношення (Tp*/Ts*)
структур Ag-O-InP (– –) та Au-O-InP (–––) при різних товщинах плівки
металу d1. Товщина проміжного шару d2=5 нм; кут падіння (=78(.

Рис.2. Залежності поляриметричного відношення (Tp*/Ts*) від товщини
плівки металу для структур Ag-O-InP (– –) та Au-O-InP (–––) при різних
товщинах проміжного шару d2 та довжинах хвиль світла (( =450 та 780 нм).
Кут падіння (=78(.

Результати досліджень поляризаційної фоточутливості структур
Аu(Ag)-O-GaAs(InP) розкривають можливості застосування таких структур як
високочутливих селективних фотоаналізаторів ЛПВ, а також дозволяють
створити умови для оптимізації параметрів поляризаційно-чутливих
фотоприймачів.

Досліджено залежність поляризаційної чутливості бар’єрних структур типу
МН, що виникає при похилому падінні ЛПВ від характеру мікрорельєфу
поверхні напівпровідника, створеного методом анізотропного хімічного
травлення. Така обробка поверхні давала можливість не тільки підвищити
ефективність використання світлового пучка за рахунок багатократних
відбиттів, але й оптимізувати електронні параметри межі поділу за
рахунок видалення дефектних областей кристалу в процесі травлення.
Встановлено, що в околі кута Брюстера максимум поляризаційної
фоточутливості контакту МН знижується з розвитком мікрорельєфу внаслідок
деполяризації світла. Для врахування впливу шорсткості на поляризаційну
чутливість ПБС був використаний метод ефективної плівки з критерієм
застосування: (<(; (/(<1, де (– середньо-квадратичне відхилення, (– довжина кореляції, (– довжина хвилі світла. Модель передбачала два ефективні шари різного хімічного складу з плоскопаралельними межами: повітря-метал та метал-напівпровідник. Це дозволило кількісно описати кутові залежності коефіцієнтів пропускання Tp*, Ts* і відповідні залежності поляризаційної чутливості фотоструму. Рис.3.а. Поверхня InP, отримана анізотропним травленням в НCl. Рис.3.б. Нормовані до значень при (=0є розрахункові залежності Tp*(() і Ts*(() для структур повітря-InP (лінії), а також експе-риментальні залежності фотоструму ір/cos( та іs/cos( для структур Au-O-InP з квазіперіодичним мікрорельєфом поверхні InP (символи) при (=750 та 550 нм. У випадку бар’єрних структур МН з квазідвовимірним (спонтанно профільованим мікрорельєфом поверхні напівпровідника, але з явно вираженою віссю гратки) спостерігалось резонансне зростання фотоструму, що є додатковим вкладом у фоточутливість, пов’язане із збудженням ППП на межі метал-повітря не тільки у випадку p-поляризації світла (ТМ-хвиль), а й у випадку ТЕ-хвиль (рис.3). Поляритонний характер максимумів і(()/cos( у випадку р-поляризації при перпендикулярній орієнтації штрихів рельєфу до площини падіння світла підтверджувався відсутністю аналогічних максимумів для хімічно полірованої поверхні та закономірною зміною їх положення при зміні кута падіння світла чи довжини хвилі світла. Розширення максимума узгоджувалось з квазінеперервністю періоду мікрорельєфної структури. Збудження поверхневого поляритону у випадку s-поляризації падаючого світла також може спостерігатись на рельєфній поверхні при появі локальних нормальних складових вектора електричного поля на похилих ділянках поверхні при орієнтації площини падіння світла паралельно штрихам квазігратки. Таким чином, у випадку спонтанного мікрорельєфу на поверхні напівпровідника збільшення фоточутливості структур МН зумовлене не лише збільшенням поглинання світла внаслідок багаторазових відбивань, а й збудженням ППП. Методами еліпсометрії, електричними та фотоелектричними дослідженнями виявлено зміну оптичних параметрів оксидного шару на поверхні GaAs після осадження металу (способом вакуумного випаровування) від n=1.95ч2.3, k=0 до n=0.9ч1.1, k=0.4ч0.6 при незмінній товщині цього шару внаслідок взаємної дифузії контактуючих елементів та хімічних реакцій між ними. Проведено розрахунок фотовідгуку поляризаційно-чутливого датчика електромагнітно-го випромінювання з GaInAs на основі бар’єру Шотткі з контактом Au(Ag) в інтегральному виконанні з хвилеводом (GaInAsP). Показано, що класичний підхід може бути корисним при оптимізації параметрів шарів хвилеводних детекторів з бар’єрами Шотткі з метою підвищення їх поляризаційної фоточутливості. Розрахунок показав, що при використанні структури з узгоджуючим шаром при певній товщині останнього підвищується поглинання та поляризаційна чутливість фотодетектора. У третьому розділі наведено результати досліджень двошарових плівок на кремнієвій підкладинці. Методами багатокутової еліпсометрії та оже-електронної спектроскопії вивчені процеси фазоперетворень у системах Co-Si при різних режимах термообробки (середовище– повітря, азот, вакуум; температура– 400-800(С; час– 1 год.) з утворенням силіцидних шарів. Підтверджено новим методом відомі з літератури дані про механізм процесу силіцидоформування внаслідок зміни температури відпалу за багатоступінчатою реакцією утворення різних силіцидних фаз (Сo2Si, CoSi, CoSi2). Виявлено розбіжності та встановлено їх причини щодо структури та значень товщин досліджуваних шарів утворених в атмосфері повітря, азоту та в вакуумі силіцидних фаз у порівнянні з відомими параметрами силіцидних шарів, отриманих в оптимальних умовах. Встановлено, що у випадках термообробки в повітрі та в азоті має місце окислення плівки кобальту та формування силіцидних шарів. Утворена силіцидна плівка при всіх режимах термообробки значно товща при відпалі у вакуумі, ніж у повітрі та в азоті, де процесу можуть заважати утворені поверхневі шари оксиду кобальту. Експериментально досліджені двошарові структури: діелектрична плівка рідкоземельних оксидів та перехідний шар власних оксидів кремнію на Si підкладинці. Методом багатокутової еліпсометрії при монохроматичному освітленні ((=632.8 нм) визначено оптичні характеристики плівок CeO2, отриманих методом «вибухового» випаровування та їх товщину. Виявлено монотонне зростання показника заломлення n (від 2.2 до 2.4) при збільшенні товщини d плівок СеО2 від 4 до 30 нм, причому найбільша зміна спостерігалася при екстремально малих значеннях d (( 10 нм), що пов’язано з «острівцевим» характером плівки. Далі процес сповільнювався, досягаючи насичення. Отримані результати корелюють з відомими даними товщинної залежності оптичних параметрів для тонких діелектричних плівок. У четвертому розділі наведено результати еліпсометричних досліджень в режимі збудження ППП (поляритонна еліпсометрія). Розглянуто експериментальні методи збудження поверхневих поляритонів. Для дослідження тонких плівок в роботі був використаний метод ОПВ в режимі кутового сканування при (=632.8 нм за схемою Кречмана. В цій геометрії на поверхню скляного напівциліндру нанесена тонка плівка металу, а поверхнева хвиля збуджується на зовнішній поверхні цієї плівки. Аналізом кутових залежностей поляризаційних кутів ( та ( двохшарової системи Ag2S-Ag з різними товщинами шарів показано підвищення чутливості експериментальних вимірювань до параметрів шарів Ag2S та Ag при застосуванні еліпсометрії зі збудженням ППП. Розрахунок коефіцієнтів парної кореляції чутливості до параметрів для методів без та зі збудженням поверхневих поляритонів показав, що для першого– майже всі оптичні параметри є суттєво скорельованими, в той час як для другого кореляція між параметрами значно менша. Запропоновано комплексний еліпсометричний метод визначення оптичних параметрів двошарових провідних плівок на основі багатокутових вимірювань поляризаційних кутів в режимі зовнішнього відбивання та в режимі ОПВ із залученням даних спектроскопії пропускання досліджуваних систем. Наведено результати експериментального дослідження комплексним еліпсометричним методом двохрічного процесу деградації тонких плівок срібла, які широко застосовуються в приладах поляритонної оптоелектроніки завдяки найменшим втратам на дисипацію поверхневих електромагнітних хвиль. На рис.4. показано експериментальні та розрахункові кутові залежності поляризаційних кутів ( та ( на різних стадіях деградації тонкої плівки Ag. Досліджено кінетику росту корозійного шару Ag2S, що має параболічний характер і визначається дифузією атомів сірки і срібла через утворюваний шар внаслідок наявності концентраційних градієнтів. Причому основні зміни спостерігались на протязі перших 5 місяців росту. Отримані залежності оптичних параметрів корозійного шару (nкор, kкор) та залишкової плівки Ag від товщини. Виявлене збільшення nAg від 0.06 до 0.9 та kAg від 4.3 до 4.8 при зменшенні товщини плівки срібла від 15 нм, що узгоджується з результатами робіт інших авторів і може визначатися зміною структури плівки від суцільної до «острівцевої». Збільшення параметру kкор корозійного шару при dкор<16 нм свідчить також про «острівцевий» характер цих плівок та, можливо, про несферичність мікрочастинок Ag2S і розподіл їх за розмірами. Рис.4. Експериментальні (символи) та розрахункові (лінії) кутові залежності поляризаційних кутів ( та ( в режимі збудження ППП для плівки Ag на різних стадіях її зберігання: 2, 3, 4 та 24 місяці. ВИСНОВКИ 1. Запропоновано комбінований еліпсометричний метод визначення оптичних параметрів та товщин двошарових поглинаючих структур на прозорій підкладинці на основі багатокутових вимірювань поляризаційних кутів в режимах звичайного відбивання та ОПВ (за схемою Кречмана) із залученням спектрів пропускання досліджуваних структур та використано його для вивчення кінетики утворення шару Ag2S на поверхні Ag протягом двох років. Показано, що основні товщинні зміни відбуваються в перші 5 місяців. 2. Комплексними дослідженнями, що включають еліпсометричні та електричні вимірювання, встановлено зміну оптичних параметрів оксидного шару на поверхні GaAs після нанесення плівки Au при створенні бар’єрних структур, обумовлену хімічною взаємодією в твердій фазі. 3. Використовуючи оригінальну програму машинних розрахунків вперше кількісно пояснено поляриметричний ефект при похилому падінні ЛПВ на структуру МН з врахуванням проміжного діелектричного шару, що обумовлений відмінністю ефективностей проникнення s- та р-поляризованих світлових пучків в фотоактивну область напівпровідника. 4. Встановлено вплив мікрорельєфу поверхні напівпровідника на початковій стадії його утворення на поляризаційну чутливість фотоструму крізь межу поділу метал-ізотропний напівпровідник та кількісно описано його в моделі ефективного середовища, що передбачає наявність двох ефективних шарів різного хімічного складу з плоскопаралельними межами. 5. У випадку квазідвовимірного мікрорельєфу встановлено резонансне зростання фотоструму бар’єрної структури на основі контакту МН, що є додатковим механізмом збільшення фоточутливості, пов’язаним зі збудженням ППП в металевому шарі як у випадку ТМ-, так і ТЕ - електромагнітних хвиль. 6. Показано ефективність застосування методу багатокутової еліпсометрії із залученням даних оже-спектроскопії для дослідження процесів фазових перетворень в системах Co-Si (силіцидоутворення) при різних режимах термообробки. Виявлено розбіжності та встановлено їх причини щодо значень товщин досліджуваних шарів різних силіцидних фаз, утворених за багатоступінчатою реакцією в атмосфері повітря, азоту та у вакуумі в порівнянні з відомими параметрами силіцидних шарів, отриманих в оптимальних умовах. 7. Встановлено монотонно зростаючу залежність оптичних параметрів плівок рідко-земельного оксиду CeO2, отриманих методом «вибухового» випаровування, на Si підкладинці від їх товщини d при екстремально малих значеннях d (( 10 нм). Причиною цього є як наявність залишкового шару оксиду Si, так і особливості зародкоутворення при рості оксидів рідкоземельних елементів на кремнії. Основні результати дисертації опубліковано в роботах: Дмитрук Н.Л., Фурсенко О.В., Борковская О.Ю. Оптические свойства оптоэлектронных структур металл-полупроводник с туннельно-тонким переходным диэлектрическим слоем // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1994. - Т.27. - С.115-121. Маєва О.І., Фурсенко О.В. Поляризаційна фоточутливість поверхнево-бар’єрних структур метал-InP // Укр. фіз. журн. - 1994. - Т.39, № 7, 8. - С.805-808. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mayeva O.I., Fursenko O.V. Polarization-sensitive photocurrents of metal-semiconductor structures with flat and microrelief interfaces // Microelectronics Journal. - 1996. - V.27. - P.37-42. Дмитрук Н.Л., Борковская О.Ю., Фурсенко О.В. Определение оптических параметров двухслойных поглощающих пленок методом многоугловой эллипсометрии с возбуждением поверхностных поляритонов // Автометрия. - 1997. - № 1. - С.57-62. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Fursenko O.V. Optical and electronic characterization of transition layer in thin film Au-GaAs Schottky barrier // Vacuum. - 1998. - V.50, N3-4. - P.439-443. Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Фурсенко О.В., Яструбчак О.Б. Влияние коррозии металлического электрода на поляризационную чувствительность фотодетектора на основе барьера Шоттки Ag-GaAs (InP) с гофрированной границей раздела // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т.24, № 8. - С.76-82. Fursenko O.V., Semikina T.V., Shmyrjeva A.N. Fabrication and ellipsometric investigation of thin films of rare-earth oxides // Solid State Phenomena. - 1998. -V.63-64. - P.341-346. Dmitruk N.L., Fursenko O.V., Medvid’ A.P., Knite M., Grigonis A. Non-destructive investigations of Co and CoSi2-x films on Si substrate // Solid State Phenomena. - 1998. - V.63-64. - P.347-352. Dmitruk N.L., Fursenko O.V., Mayeva O.I. Polarization-sensitive photocurrent through flat and microrelief metal-semiconductor interfaces // Proc. of 17th Annual Semiconductor Conference (CAS’94).- Sinaia (Romania).- 1994. - V.1. - P.149-152. Borkovskaya O.Yu., Dmitruk N.L., Fursenko O.V. Characterization of thin metal films with overlayers by transparency and multiangle reflectance ellipsometry method including surface plasmons excitation // Proc. SPIE “Polarimetry and Ellipsometry”.- Kazimierz Dolny (Poland).- 1996. - V.3094. - P.250-254. Dmitruk N.L., Fursenko O.V., Mayeva O.I. Effect of matching layer on polarization photosensitivity of AIIIBV Schottky-barrier photodetector monolithically integrated with optical waveguide // Proc. SPIE “Polarimetry and Ellipsometry”.- Kazimierz Dolny (Poland).- 1996. - V.3094. - P.360-366. Fursenko O.V., Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu. Native oxide films on GaAs and its modification after metal deposition // Proc. of International School-Conference for Young Scientists “Solid State Physics: Fundamentals and Applications”.- Katsyveli (Ukraine).- 1997. - P.R72. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Fursenko O.V., Yastrubchak O.B. Influence of multilayer coating peculiarities on efficiency of surface plasmon resonance photodetector // Proc. of 21th International Semiconductor Conference (CAS’98).- Sinaia (Romania).- 1998. - V.2. - P.531-534. та в 6 тезах доповідей міжнародних конференцій. АНОТАЦІЯ Фурсенко О.В. Оптичні та фотоелектричні властивості твердотільних структур метал-напівпровідник (GaAs, InP, Si) з перехідним шаром.– Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07– фізика твердого тіла.– Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 1999. Дисертація присвячена вивченню оптичних та фотоелектричних властивостей твердотільних структур метал-напівпровідник (GaAs, InP, Si) з перехідними шарами різної фізико-хімічної природи: проміжним шаром власного оксиду на поверхні напівпровідника; ефективним шаром, яким може бути описана мікрорельєфна поверхня чи межа поділу; узгоджуючим шаром між інтегрально виконаними хвилеводом і фотодетектором; силіцидним шаром, утвореним при взаємодії перехідного металу (Co) з Si; діелектричним шаром власного окисиду напівпровідника та оксидів рідкоземельних елементів (CeO2). Вперше кількісно пояснено поляриметричний ефект при похилому падінні світла на межу поділу метал-напівпровідник з врахуванням проміжного шару і мікрорельєфу межі поділу. У випадку квазідвовимірного мікрорельєфу виявлено новий механізм підсилення фоточутливості внаслідок збудження поверхневих плазмон-поляритонів як при ТМ-, так і ТЕ-поляризації світла. Розроблено новий комплексний еліпсометричний метод визначення оптичних параметрів і товщини двошарових поглинаючих плівок на прозорих підкладинках при звичайному (зовнішньому) відбиванні світла і в режимі ослабленого повного відбивання із залученням спектрів оптичного пропускання структур та використано його для дослідження кінетики твердофазних хімічних реакцій (утворення шару Ag2S на поверхні Ag). Ключовi слова: перехідний шар, межа поділу, поляризацiйна фоточутливiсть, поверхневий поляритон, оптичнi параметри, пропускання, вiдбивання, еліпсометрія, хімічні реакції в твердій фазі. АННОТАЦИЯ Фурсенко О.В. Оптические и фотоэлектрические свойства твердотельных структур металл-полупроводник (GaAs, InP, Si) с переходным слоем.– Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук по специальности 01.04.07– физика твердого тела.– Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 1999. Диссертация посвящена изучению оптических и фотоэлектрических свойств твердотельных структур металл-полупроводник (GaAs, InP, Si) с переходными слоями разной физико-химической природы: промежуточным слоем собственного оксида на поверхности полупроводника; эфективным слоем, которым может быть описана микрорельефная поверхность или граница раздела; согласующим слоем между интегрально выполненными волноводом и фотодетектором; силицидным слоем, образованным при взаимодействии переходного металла (Co) с Si; диэлектрическим слоем собственного оксида полупроводника и окислов редкоземельных элементов (CeO2). Впервые количественно объяснен поляриметрический эффект при наклонном падении света на границу раздела металл-полупроводник с учетом промежуточного слоя и микрорельєфа границы раздела. В случае квазидвумерного микрорельєфа обнаружен новый механизм усиления фоточувствительности вследствие возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов как при ТМ-, так и ТЕ-поляризации света. Разработан новый комплексный эллипсометрический метод определения оптических параметров и толщин двухслойных поглощающих пленок на прозрачных подложках при обычном (внешнем) отражении света и в режиме нарушенного полного внутреннего отражения, с привлечением спектров оптического пропускания структур, и использован для исследования кинетики твердофазных химических реакций (образования коррозионного слоя Ag2S на поверхности Ag). Ключевые слова: переходный слой, граница раздела, поляризационная фоточувствительность, поверхностный поляритон, оптические параметры, пропускание, отражение, эллипсометрия, твердофазные химические реакции. SUMMARY Fursenko O.V. Optical and photoelectric characteristics of metal-semiconductor (GaAs, InP, Si) solid state structures with transition layer.– Manuscript. Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.07– solid state physics.– Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999. The dissertation is devoted to the research of optical and photoelectric characteristics of metal-semiconductor (GaAs, InP, Si) solid state structures with transition layers of different physical nature: transition layer of intrinsic oxide on semiconductor surface in metal – tunnel-thin oxide – isotropic semiconductor structures; matching layer between wave-guide and integrated photodetector; effective layer for describing the micro-relief surface or interface; silicide layer, formed at the interaction of transitional metals (Co) with Si; dielectric layer of rare-earth oxides. For the first time the polarimetric effect for oblique incidence of light on metal-semiconductor structure with transition layer and microrelief interface has been analyzed quantitatively. To account for a microrelief effect on the polarization photosensitivity, the two equivalent film method was used. Surface polariton excitation was shown to be an additional mechanism of photosensitivity enhancement and effect on its spectral, polarization and angular characteristics for metal-semiconductor structures with quasiperiodical interface microrelief both at ТМ- and ТЕ-polarization of light. The new complex ellipsometric method of optical parameters and thickness determination for two layers absorbing films on transparent substrates has been developed. It is based on the multiple-angle-of-incidence reflectance ellipsometry measurements at wavelength 632.8 nm (for usual reflection and attenuated total reflection with surface plasmon excitation) and on the transparency measurements. The method was testified for studying long-time kinetics of solid-state chemical reactions (the creation of Ag2S corrosion layer on Ag surface in room condition). The monotonous increase of optical parameter n from 2.2 to 2.4 with increasing of thickness from 4 to 28 nm, reaching saturation (2.4) at thickness about 10 nm for rare-earth oxide of cerium (CeO2) films fabricated by technology of flash evaporation has been established for the first time. The change of optical characteristics of oxide layer on the semiconductor (GaAs) surface covered by metal (Au) film has been established by optical (ellipsometry) and electrical (I-V, C-V) measurements. In the assumption of invariable thickness of transition layer, its optical parameters changed from n=1.9/2.4, k=0 to n=0.9/1.1, k=0.4/0.6 probably due to inter-diffusion of Au, Ga and As. The application of ellipsometry for investigation of silicide (Co2Si, CoSi, CoSi2) formation in the Co-Si system by means of thermal annealing (at T=400/800(C for 1 hour) have been demonstrated. The comparison of thermal annealings in three environments (nitrogen, air, and vacuum) influence on the value of complex refractive index (phase composition) and thickness of layers obtained has been carried out. Key words: transition layer, interface, polarization photosensitivity, surface polariton, optical parameters, transmission, reflection, ellipsometry, solid-state chemical reactions. PAGE 8

Похожие записи