Спосіб пасивації поверхні монокристалічного германію

Спосіб пасивації поверхні монокристалічного германію, що включає вилучення природного оксиду германію з його поверхні та формування пасивуючого шару, який відрізняється тим, що 3 Пасивація воднем, що традиційно використовується для кремнію, не була успішною для германію. Використання c-Ge підкладок в електроніці обмежується труднощами характеризації та контролю їх оксидів, заміни їх воднем. На поверхні c-Ge присутні два оксиди: GeO - стабільний, ковалентно пов'язаний з c-Ge та GeO2, що розчиняється у воді. Серед різних спроб видалення оксиду та пасивування поверхні c-Ge рідкофазними хімічними методами відокремлюється піонерська робота [5], в котрій спостерігали формування на поверхні c-Ge гідридів. За прототип обрано спосіб [6], в якому одержано повне покриття поверхні c-Ge воднем без формування оксидів. n-Ge (100) для вилучення природного оксиду обробляли ультразвуком в ацетоні, потім в метанолі та висушували в азоті, після чого зразок послідовно занурювали у дистильовану іонізовану воду, перекис водню (30%), розчин плавікової кислоти (10%). Для формування пасивуючого шару проводили обробку поверхні в плазмі водню. Завдяки тому, що на повітрі оксидна плівка росте повільно, припускається (але не підтверджено), що запасивована воднем поверхня c-Ge (100) (при контролюванні зв'язків Н-С) придатна до росту на ній "high-k" діелектриків. Недоліки способу-прототипу. Є нестабільність пасивації. Після пасивації поверхня c-Ge, як і c-Si шорстка, при експонуванні на повітрі атоми водню нестабільні, поверхня забруднюється атомами вуглецю. В основу корисної моделі покладено задачу пасивації поверхні монокристалічного германію при покращенні стабільності пасивації, придатності до росту на поверхні c-Ge "high-k" діелектриків за умови збереження технологічності способу. Задача, що поставлена, досягається тим, що після вилучення забруднення поверхні германію наносять пасивуючу леговану золотом плівку GeO2, що містить Ge квантові точки, методом імпульсного лазерного осадження (ІЛО) зі зворотного потоку частинок ерозійного факелу шляхом розташування підкладки монокристалічного германію, що пасивується - в площині мішені на відстані 2-10 мм від осі факелу в вакуумній камері з тиском аргону 10-15 Па та використання германієвої мішені, що містить 2-4% золота по площині поверхні, діють на мішень імпульсами lAГ:Nd3+ лазера з довжиною хвилі 1.06 мкм, густиною енергії в імпульсі 20-25 Дж/см2, тривалістю імпульсу 8-12 не та частотою їх повторення 20-30 Гц. Запропонований спосіб забезпечує пасивацію поверхні c-Ge, підвищення ефективних часів життя носіїв заряду на 50%, нестабільність значення швидкості поверхневої рекомбінації за часом не гірше декількох відсотків, можливість росту діелектричної плівки з діелектричною проникністю більшою за e =5 (наприклад, e (Аl2О3)=10). Все це за умови збереження низькотемпературності, вакуумної чистоти, відсутності отруйних речовин та коштовного обладнання. 30404 4 Ефекти покращення рівня пасивації поверхні монокристалічного германію, технологічності способу зумовлені заміною пасивації атомами водню - Ge наночастинками. Вони осаджуються на активні центри поверхні c-Ge, створені дефектами, що є центрами поверхневої рекомбінації носіїв заряду і тим самим їх нейтралізують. Каталітична активність наночастинок збільшується зі зменшенням їх розмірів. Нанесена плівка - оксид GeOx, що містить Ge квантові точки з бар'єрною фазою GeO2. Атоми золота з великим значенням електронної спорідненості насичують обірвані зв'язки Ge - центри безвипромінювальної рекомбінації. Легування золотом збільшує й стабільність оксиду GeOx, підвищує його стехіометричність. Ефекти запропонованого способу зумовлені використанням методу ІЛО з нанесенням плівок зі зворотного потоку частинок ерозійного факелу, режимами формування легованої золотом оксидної плівки GeO2, що містить Ge наночастинки. Спосіб реалізується наступним чином на установці, схему якої наведено на Фіг.1. Проводять типову підготовку c-Ge мішені травленням у 49% HF розчині протягом 3-5 хвилин для вилучення оксидів та інших забруднень їх поверхні. Зразок c-Ge занурюють у дистильовану іонізовану воду, потім проводять травлення у перекису водню (30%) та в 49% HF протягом 1-3 хвилин для вилучення природного оксиду. Для формування пасивуючого шару мішень (5) та c-Ge підкладку (зразок) (6) розташовують в одній площині. Задають відстань підкладки в 2-10 мм від осі факелу (4), тиск у вакуумній камері (3) знижують до залишкового (10-2 Па), промивають її аргоном (2, 7), встановлюють заданий його тиск (10-15 Па). Промінь IAГ:Nd3+ лазера (1), що працюєв режимі модульованої добротності, з довжиною хвилі 1.06 мкм, заданою щільністю енергії в імпульсі 20-25 Дж/см2, тривалістю імпульсу 8-12 не та частотою їх повторення 20-30 Гц сканує мішень. Під дією променю лазера виникає факел, що містить наночастинки Ge, атоми Аu, GeO2. Частинки факелу віддають свою енергію інертному газу, охолоджуються та конденсуються в пасивуючий шар на c-Ge підкладці (зразку). Ефективність способу, що заявляється, визначалась контролем ефективних часів життя носіїв заряду в c-Ge та вимірюванням їх нестабільності у часі. Ефективні часи життя носіїв заряду т визначалися за кінетикою теплового випромінювання в області 3-12 мкм при збудженні імпульсами світла в області поглинання c-Ge. Зразки знаходились при температурі відмінній (вищій) від температури оточуючого середовища [7]. Двофазний склад пасивуючих плівок, що включає Ge наночастинки, занурені в GeO2 матрицю був підтверджений дослідженнями структури, щільності граничних електронних станів, фотолюмінесценції у видимій області спектра при кімнатній температурі, створеними гетероструктурами на їх основі (див. наприклад [8]). 5 Встановлено, що ефективність пасивації визначається типом модифікації метода ІЛО. При осадженні плівок зі зворотного низькоенергетичного потоку частинок ерозійного факелу щільність поверхневих граничних станів була меншою, ніж при осадженні з прямого високо енергетичного потоку. При осадженні плівки зі зворотного потоку поверхні були значно гладкішими. Виявлено, що зменшення дози опромінення мішені менш за 20-25 Дж/см2 зменшує дозу її розпилення, зменшує розмір наночастинок нижче оптимального (2-10 нм). Зі збільшенням тиску аргону від 10-15 Па збільшується роль пасивації киснем, змінюється дисперсія наночастинок за розмірами. При тиску меншому за 10 Па обмежена доля зворотного потоку частинок. При визначених параметрах процесу осадження оптимальні (за товщиною плівки і розмірами нанокристалів) відстані розташування c-Ge підкладки від осі факелу становлять 2-10 мм. При менших значеннях відстані осаджуються великі за розмірами частинки, при більших -товщина плівки дуже мала - менша за десятки нанометрів. При товщинах плівки менших за 50 нм пасивація неефективна та нестабільна. Кількість атомів Аи визначається тим, що при концентраціях більших за 2-4% по площині поверхні настає перкаляційна межа, носії заряду рухаються між металевими частинками. При менших концентраціях Аu - неефективний процес пасивації обірваних зв'язків германію - центрів рекомбінації носіїв заряду. Нижче наведено приклад реалізації запропонованого способу. Приклад. На зразки p-Ge (ГДГ-45) та n-Ge (ГЕС-0.1) з товщинами 0.5 мкм на обидві поверхні наносили леговану золотом плівку GeO2, що містить Ge наночастинки. Зразки обробляли етанолом, занурювали у дистильовану іонізовану воду, травили у розчині 30% Н2О2 та HF протягом трьох хвилин. Метод нанесення плівки - імпульсне лазерне осадження із зворотного потоку частинок ерозійного факелу. Мішень з c-Ge обробляли в 49% HF розчині протягом трьох хвилин. На неї наносили плівку золота, яка складала 4% площини поверхні мішені. Зразок розміщували на відстані 5 мм від осі факелу. Вакуумну камеру із залишковим тиском 10-2Па заповнювали аргоном з тиском рAr=13.5 Па. Промінь IAГ:Nd3+ лазера сканував мішень в режимі: l =1.06 мкм, j=20 Дж/см2, ti=10 нc, f=25 Гц. При збудженні променем N2-лазера ( l =337 нм, ti=8 нc) спектр ФЛ лежав у видимій області спектра (Фіг. 2), що свідчить про прояв квантових точок германію. Ефективні часи рекомбінації носіїв заряду t визначалися за кінетикою теплового випромінювання (P(t)) в області 3-12 мкм при збудженні імпульсами світла в області поглинання германію. Зразки знаходились при температурі відмінній (вищій) від температури оточуючого середовища. На Фіг. З та 4 відповідно наведено криві кінетики теплового випромінювання зразків ГЕС-0.1 та ГДГ-45 до (кр. 1) та після (кр. 2) 30404 6 пасивації. Визначено, що для першого зразка значення т зростало від 6 до 9 мке, для другого від 10 до 18 мкс. Зростання ефективного часу життя носіїв заряду забезпечено зниженням швидкості поверхневої рекомбінації запропонованим способом. За п'ять місяців вимірів значення t були стабільними (нестабільність не перевищувала декількох відсотків). На цих зразках були осаджені плівки Аl2O3, тобто доведено можливість формування "high-k" діелектрика на модифікованій поверхні c-Ge запропонованим способом пасивації. Таким чином, запропонований спосіб пасивації c-Ge пластин порівняно зі способом-прототипом збільшує ефективні часи життя носіїв заряду на 50%. При експонуванні на повітрі нестабільність пасивації не перевищує декілька відсотків, поверхня зразка після пасивації гладка, дозволяє нанесення Аl2O3 плівки. При цьому зберігається технологічність, одностадійність процесу, вакуумна його чистота, відсутність отруйних речовин, коштовного обладнання. Джерела інформації 1. S.M. Sze, Physics of semiconductor devices, Willey, N-Y, 1981. 2. Gregory et al. US Patent № 4,945,065, July, 31 (1990). 3. Grupp et al. US Patent № 7,084,423, August, 1 (2006). 4. Grupp et al. US Patent № 7,176,483, February, 13 (2007). 5. K. Choi and J.M. Buriak, Langmuir, 16, 7737 (2000). 6. S. Rivilon, Y.J. Chabal, F. Amy, A. Kahn. Appl. Phys. Lett., 87, 253101 (2005). 7. V.K. Malytenko, G.I. Teslenko. Electron technology, 24 (3-4), 97 (1991). 8. Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Е.В. Бегун. ФТП, 41 (2), 177 (2007). 7 30404 8