ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. І. І. МЕЧНИКОВА

АРТЕМЕНКО ОЛЕНА СЕРГІЇВНА

УДК 621.315.592

Вплив адсорбції молекул аміаку

на поверхневі явища в p-n переходах

на основі напівпровідників АIIIBV

01.04.10 – Фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Одеса – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному університеті ім. І.І. Мечникова.

Науковий керівник: | доктор фізико – математичних наук, професор

Птащенко Олександр Олександрович,

Одеський національний університеті імені І.І. Мечникова, професор кафедри фізики твердого тіла та твердотільної електроніки

Офіційні опоненти: |

доктор фізико – математичних наук, професор

Ваксман Юрій Федорович,

Одеський національний університеті імені І.І. Мечникова, професор кафедри експериментальної фізики;

доктор технічних наук, професор

Мокрицький Вадим Анатольович,

Одеській національний політехнічний університет, професор кафедри електронних засобів інформаційно-комп’ютерних технологій.

Провідна установа: | Інститут фізики напівпровідників НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 13 ” лютого 2004 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.051.01 при Одеському національному університеті імені І.І. Мечникова за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Пастера, 27, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного університету імені І.І. Мечникова за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Преображенська 24.

Автореферат розісланий “ 10 ” січня 2004р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради О.П. Федчук

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Подальший розвиток мікроелектроніки та оптоелектроніки пов’язаний зі зменшенням розмірів їх елементів, що обумовлює зростання ролі поверхневих явищ в електронних приладах. До таких явищ належать поверхневий вигин зон та поверхнева рекомбінація, створення поверхневих провідних шарів, модифікація шару власного оксиду під дією різних чинників та ін. Робочим матеріалом багатьох електронних приладів є напівпровідникові сполуки групи АIIIВV, такі як GaAs, GaxAl1-xAs, GaP. Незважаючи на велику кількість літературних даних, присвячених вивченню поверхневих явищ в напівпровідниках АIIIВV та приладах на їх основі, в даний час залишаються недостатньо з’ясованими природа поверхневих станів, механізми захоплення носіїв заряду на дані стани, вплив навколишньої атмосфери на електричні, оптичні та фотоелектричні явища в бар’єрних структурах на основі напівпровідників АIIIВV.

Вплив адсорбованих іонів на поверхневі властивості p-n структур на основі напівпровідників АIIIВV можна використати з одного боку для розробки методів дослідження поверхневих рівнів даних напівпровідників, а з іншого боку на основі даних ефектів можлива розробка газових сенсорів.

Важливим напрямком розвитку сучасної твердотільної електроніки є створення сенсорів газу, принцип роботи яких базується на поверхневих явищах в напівпровідниках. На даний момент широкого використання набули прилади на основі структур метал–оксид–напівпровідник з бар’єром Шоткі, які використовуються для визначення концентрацій водню, кисню та інших газових сумішей, у тому числі і аміаку. Проте, і досі існує проблема точного контролю аміаку в біомедичних дослідженнях та промислових процесах при його низьких концентраціях.

В представленій роботі узагальнено результати дослідження механізмів впливу газової атмосфери на електричні та фотоелектричні характеристики в p-n переходах на основі напівпровідників АIIIВV, а також на морфологію поверхні даних структур.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла та твердотільної електроніки Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова в рамках науково–дослідної теми „Просторові властивості та поляризація випромінювання лазерних гетероструктур”, номер держреєстрації 0199U003119, а також в рамках договору про науково–технічну співпрацю з лабораторією оптики напівпровідників Інституту фізики ім. Б.І. Степанова НАН Білорусі та договору про науково–технічну співпрацю з кафедрою фізики та хімії Одеської національної морської академії.

В межах цієї тематики автором проведено дослідження впливу газового оточення на електричні та фотоелектричні характеристики і морфологію поверхонь подвійних лазерних гетероструктур на основі AlGaAs–GaAs та p-n структур на основі GaAs і GaP.

Мета та задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала у:

- встановленні механізмів впливу газової атмосфери на електричні та фотоелектричні властивості лазерних подвійних гетероструктурах на основі AlGaAs–GaAs та p-n структурах на основі GaAs і GaP;

- встановленні ролі приповерхневого порушеного шару в поверхневих генераційно – рекомбінаційних процесах;

- встановленні закономірностей модифікації поверхневого оксидного шару на напівпровідників АIIIВV під впливом навколишньої атмосфери.

Для реалізації поставленої мети необхідно було розв’язати такі експериментальні завдання:

1. Проведення комплексних досліджень стаціонарних електричних характеристик лазерних гетероструктур на основі AlGaAs–GaAs та p-n структур на основі GaAs і GaP в повітрі, а також в парах води, ацетону, етанолу та аміаку при різних температурах.

2. Дослідження кінетики змін електричних характеристик p-n переходів при зміні навколишньої атмосфери при різних температурах.

3. Дослідження змін фотоелектричних властивостей p-n структур при адсорбційно – десорбційних процесах.

4. Дослідження впливу хімічних обробок поверхні на електричні та фотоелектричні характеристики в p–n переходах.

5. Проведення дослідження впливу обробки в парах аміаку на макрофізичні характеристики природного оксидного шару на поверхні GaAs методом лазерної еліпсометрії.

6. Дослідження впливу газової атмосфери на морфологію поверхні та оксидного шару на поверхні p-n структур на основі GaAs методом атомної силової мікроскопії.

Комплексність досліджень забезпечувалась завдяки використанню різноманітних сучасних методик для одержання інформації про вплив газового середовища на поверхню напівпровідникових сполук групи АIIIВV.

Методи дослідження. Закономірності формування поверхневого провідного каналу в лазерних гетероструктур на основі AlGaAs–GaAs та p-n структур на основі GaAs і GaP вивчались шляхом аналізу вольт-амперних характеристик прямого та зворотного струмів в різних газових атмосферах в інтервалі температур 300–400К. Для оцінки впливу висоти бар’єру в об’ємі p-n структури на кінетику формування і розпаду поверхневого провідного каналу проводились дослідження прямих та зворотних характеристик при імпульсному живленні зразків. Вплив газової атмосфери на швидкість поверхневої рекомбінації досліджувався фотоелектричними методами, за допомогою аналізу спектру та вольт–амперних характеристик фотоструму. Закономірності адсорбційно–десорбційних процесів та механізм формування шару об’ємного заряду в приповерхневій області p-n переходів досліджувались із аналізу кінетики додаткового поверхневого струму при зміні газової атмосфери. За допомогою еліпсометричних вимірювань були виявлені параметри оксидної плівки p-n переходів на основі GaAs при обробці в парах аміаку, такі як коефіцієнт заломлення та товщина оксидного шару. Вплив обробки в парах аміаку на морфологію поверхні зразків досліджувався методом атомно-силової мікроскопії на монокристалічних пластинах GaAs.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Виявлена зміна електричних характеристик p-n переходів на основі напівпровідників АIIIВV при впуску атмосфери аміаку може бути використана для створення селективних газових сенсорів, що працюють без додаткового нагрівання. Час відгуку p-n гетероструктури на основі AlGaAs–GaAs як сенсора парів аміаку при кімнатній температурі не перевищує 100с.

2. Результати роботи можна використати для оптимізації структури і режиму роботи сенсорів парів аміаку.

3. Зміну стаціонарних і кінетичних характеристик p-n структур під дією електричного поля адсорбованих іонів аміаку, як модифікацію ефекту поля, можна використовувати для дослідження параметрів поверхневих центрів.

Особистий внесок здобувача полягає у аналізі наукових праць за темою; підготовці зразків до дослідження їх фізичних властивостей при взаємодії з газовим середовищем, в різних температурних режимах та при хімічній обробці поверхні; проведенні експериментальних досліджень електричних та фотоелектричних характеристик p-n структур на основі напівпровідників АIIIВV при взаємодії з газовим середовищем при різних температурах та хімічній обробці поверхні; участі в проведенні аналізу результатів; участі в вимірюваннях за допомогою атомно–силової мікроскопії та лазерної еліпсометрії. Здобувач приймав участь в обговорюванні всіх отриманих експериментальних даних, їх обробці та підготовці наукових праць до публікацій.

Інтерпретація та узагальнення отриманих результатів, формування основних положень та висновків проведені спільно з науковим керівником. Експериментальне дослідження морфології поверхні p-n структур на основі GaAs за допомогою еліпсометричних досліджень та методом мікроскопії атомних сил проведено в Інституті фізики напівпровідників НАН України (м. Київ).

Апробація результатів. Основні положення та результати дослідження, які представлені в дисертаційній роботі, докладалися та обговорювалися на семінарах кафедри фізики твердого тіла та твердотільної електроніки ОНУ ім. І.І. Мечникова та на таких міжнародних конференціях: на VIII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок в Івано–Франківську (2001 рік); на Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА во Львові (2001 рік); на 1-ї Українській науковій конференції з фізики напівпровідників в Одесі (2002 рік); на IX Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок в Івано–Франківську (2003 рік).

Публікації. По темі дисертації було опубліковано 9 робіт: 5 статей в наукових журналах; 4 – в тезах міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 123 найменування та додатку з переліком наукових праць автора. Робота ілюстрована 52 рисунками та 1 таблицею і має загальний обсяг 150 сторінок.

Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, вказано зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Сформульовано мету і основні завдання дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, відображено особистий внесок автора. Сформульовано основні відомості про апробацію роботи, кількість публікації автора за темою дисертації.

Перший розділ присвячений огляду літературних даних. Описано механізми процесів, які протікають поблизу поверхні напівпровідника, проведено аналіз механізму поверхневої рекомбінації. Розглядаються різноманітні методи впливу на електронну структуру поверхні напівпровідників. Проаналізовано вплив адсорбційно – десорбційних процесів на поверхневий струм напівпровідникових структур АIIIВV. Розглянуто стан та проблеми використання поверхнево–бар’єрних структур на основі напівпровідників АIIIВV як газових сенсорів.

У другому розділі подані структура досліджуваних зразків та методи дослідження електричних та фотоелектричних характеристик зразків. Дослідження проведено на p-n структурах на основі GaAs і GaP та лазерних подвійних гетероструктурах AlxGa1-xAs, оптимізованих для отримання максимального квантового виходу випромінювання.

Методика експерименту була спрямована на отримання відгуку до оточуючого газового середовища за рахунок вивчення основних електрофізичних характеристик досліджуваних p-n структур на основі напівпровідників АIIIВV: вольт–амперних прямих та зворотних характеристик, кінетики наростання та спадання додаткового поверхневого струму, спектру фотоструму та морфології поверхні p-n переходів. При дослідженні кінетики наростання та спадання додаткового поверхневого струму, була створена автоматизована вимірювальна система, у якій використовувались стандартні вимірювальні прилади. Виготовлена газова система давала можливість створювати та контролювати газове середовище з заданими параметрами тиску та температури та проводити його швидку зміну. Для вимірювання параметрів власного оксидного шару GaAs використовувалась методика лазерної еліпсометрії. Морфологія поверхонь напівпровідників досліджувалась за допомогою атомно–силової мікроскопії. Обробка експериментальних даних здійснювалась на ЕОМ.

Третій розділ присвячений опису та аналізу результатів експериментальних досліджень поверхневого струму в гетероструктурах на основі AlGaAs–GaAs та p-n структурах на основі GaAs і GaP в таких газових атмосферах як чисте повітря, насичені пари води, ацетону, етанолу та аміаку.

Поверхнева рекомбінація в досліджених p-n переходах є відповідальною за компоненту прямого струму, яка описується виразом:

(1)

де I0 – стала; q – заряд електрона; V – прикладена напруга; k – стала Больцмана; T – температура; nt – коефіцієнт неідеальності вольт–амперних характеристик (ВАХ).

Проведені дослідження стаціонарних характеристик поверхневих струмів у подвійних гетероструктурах на основі AlGaAs–GaAs та p-n структурах на основі GaAs та GaP показали, що насичені пари води, етилового спирту і ацетону практично не впливають на поверхневі струми досліджених структур.

Виявлено, що пари аміаку значно підвищують прямий струм в даних структурах. У всіх досліджених зразках додатковий поверхневий струм, зумовлений адсорбцією молекул аміаку, зростає при підвищенні парціального тиску парів аміаку та лінійно залежав від напруги (рис.1), тобто:

. (2)

Дослідження прямого поверхневого струму GaAlAs показало, що в каналі існує електрорушійна сила величиною V0= +0,125В, яку можна інтерпретувати, як різницю між енергією адсорбції нейтральної молекули аміаку на поверхню p-n переходу і енергією десорбції іону аміаку. Для зворотного струму ця величина складала V0= –0,125В. Напрямок електрорушійної сили свідчить, що при адсорбції молекул аміаку генеруються неосновні носії заряду.

Описана поведінка додаткового поверхневого струму пояснюється виникненням провідного приповерхневого каналу в p-n структурах. Адсорбовані молекули аміаку віддають електрони кристалу і створюють шар позитивних іонів. Збіднений шар, виходячи на поверхню, викривляється за рахунок електричного поля іонів, внаслідок чого створюється поверхневий шар просторового заряду, збіднений дірками і збагачений електронами. Аміак є донором у напівпровідниках АIIIBV, звідки випливає, що поверхневий провідний канал утворюється в р-області, де неосновними носіями заряду є електрони. Формування даного шару і зумовлює додатковий поверхневий струм (ДПС) в p-n структурах, при впуску парів аміаку в посудину, що містила зразок. Вимірювання вольт-амперних характеристик зворотного струму показали різке зростання цього струму в p-n переходах при обробці в парах аміаку. Величина прямої компоненти поверхневого струму, що виникає при адсорбції молекул аміаку, набагато перевищує величину зворотного струму. Після витримки досліджуваних структур в повітрі, ВАХ прямого та зворотного струмів відтворюються, що свідчить про фізичний характер адсорбції аміаку.

Дослідження температурної залежності додаткового струму показало, що пряма компонента ДПС лінійно залежить від прикладеної напруги при різних температурах, тобто відповідає залежності (2) та зменшується при підвищенні температури. Це можна пояснити тим, що із зростанням температури збільшується імовірність десорбції іонів аміаку. Енергія активації для десорбції молекул аміаку з поверхні GaAs складає ДEа=0,29 еВ.

Зміна ВАХ гетероструктур при впуску атмосфери аміаку може бути використана для створення селективних газових сенсорів. Розглядаючи наведені вольт–амперні характеристики додаткового струму в p-n переходах, можна ввести поняття про питому струмову чутливість p-n структур як сенсорів аміаку:

, (3)

де Р – парціальний тиск парів аміаку; а – коефіцієнт у формулі (2).

Найвищу чутливість до атмосфери аміаку мають p-n структури на основі GaAs з шліфованою боковою поверхнею. Висока чутливість p-n структур на основі GaAs до парів аміаку може бути пов’язана з механічною поліровкою поверхонь цих зразків, при їх виготовленні.

Четвертий розділ присвячений дослідженню кінетики поверхневих струмів у p-n переходах на основі GaAs і лазерних гетероструктур на основі AlGaAs–GaAs.

Кінетика наростання поверхневого струму в лазерній p-n структурі після впуску насичених парів аміаку та спадання даного струму після перенесення зразка в атмосферу без аміаку була експоненціальною. При впуску парів аміаку струм зростав за законом:

, (4)

де ІСТ – стаціонарне значення поверхневого струму при даних значеннях концентрації аміаку та напруги; ф характеристичний час наростання струму.

Після наступного перенесення зразка в атмосферу без аміаку поверхневий струм спадав як:

, (5)

де фd характеристичний час спадання струму.

При цьому кінетика наростання поверхневого струму при підвищенні концентрації аміаку в атмосфері значно повільніша, ніж кінетика спадання струму при зменшенні парціального тиску аміаку. Вимірювання кінетики наростання додаткового поверхневого струму при впуску парів аміаку в посудину, що містила зразок, і спадання додаткового поверхневого струму при короткочасному видаленні парів аміаку із оточуючої зразок атмосфери, показали, що велика інерційність наростання додаткового поверхневого струму пов’язана з заповненням глибоких поверхневих станів. Після короткочасної (протягом 10с) витримки зразка в чистому повітрі додатковий поверхневий струм наростає суттєво швидше до свого попереднього значення, ніж після тривалої (до півгодини) витримки. Це означає, що існує „пам’ять” додаткового поверхневого струму, яка пов’язана з заповненням глибоких поверхневих рівнів, які не встигають суттєво термічно спустошитися за час витримки зразка в чистому повітрі. Час спадання фd струму залежав від величини того початкового значення струму, що було досягнуто в момент, коли зразок виймали з парів NH3. При збільшенні початкового струму спадання відбувалося повільніше. Отже, захоплені заряди можуть впливати на кінетику десорбції і кінетику руйнування поверхневого каналу.

Для оцінки впливу висоти бар’єру в об’ємі p-n структури на кінетику формування і розпаду поверхневого провідного каналу вивчалась кінетика додаткового поверхневого струму при імпульсному живленні зразків. Вимірювання показали, що при прямому зміщенні зростання скважності вело до невеликого зменшення часу спадання фd, в той час як при зворотному зміщенні спостерігалась зростання фd. Це означає, що електричне поле p-n переходу сприяє розпаду провідного каналу при десорбції іонів аміаку.

Для зразків на основі GaAs з шліфованою боковою поверхнею спостерігалося відхилення кінетики поверхневого струму від експоненціальної. Різке сповільнення процесу наростання ДПС в зразках з шліфованою боковою поверхнею можна пов’язати з високою дефектністю приповерхневого шару та з заповненням глибоких поверхневих станів. Подібна кінетика наростання нерівноважного струму може спостерігатися при наявності двох типів рекомбінаційних центрів з різними значеннями коефіцієнта захоплення електрона. Імовірність захоплення дірок “повільним” центром має вигляд:

, (7)

де Cps – коефіцієнт захоплення дірки; pb – концентрація дірок в об’ємі р-області; Es – величина поверхневого вигину зон в р-області (або висота локального бар’єру для захоплення дірки “повільним” поверхневим центром).

Значення часу спадання фd ДПС порядку кількох секунд, на багато порядків величини перевищують час життя електронів у p-n структурах на основі GaAs, що складає десятки наносекунд. Таке тривале затягування спаду додаткового поверхневого струму пов’язане з наявністю бар’єрів для електронів і дірок в дефектному (внаслідок шліфування) приповерхневому шарі. Ймовірність термічного вивільнення електронів wd з глибоких рівнів експоненціально залежить від відстані глибоких рівнів від с-зони Ecd:

(8)

Температурна залежність величини фd, виміряної при зміні оточуючої атмосфери аміак – чисте повітря на p-n структурах на основі GaAs з шліфованою поверхнею показана на рис.2. Лінійність залежності lnфd від оберненої температури свідчить, що виконується рівність (8). Оцінена величина Ecd, пов’язана з висотою вказаних бар’єрів, має значення Ecd = 0,48 0,54 еВ в p-n переходах на основі GaAs.

П’ятий розділ присвячений дослідженню впливу парів аміаку на морфологію поверхні p-n переходів на основі GaAs.

На поверхні p-n переходів на основі GaAs існує порушений шар, пов’язаний з механічною поліровкою даних структур. Дослідження впливу порушеного шару на кінетику наростання та спадання додаткового поверхневого струму, під дією атмосфери аміаку, проводилось на p-n структурах на основі GaAs з шліфованою боковою поверхнею. З поверхні GaAs знімався порушений шар товщиною ~ 10мкм за допомогою розчину H2O2:H2SO4:H2O в співвідношенні 1:8:1, який мав поліруючу швидкість ~2,8мкм/хвил. На

Таблиця 1 досліджуваних зразках p-n структури на

Параметри | Номер зразка | До обробки в парах NH3 | Після обробки в парах NH3

n |

1 | 2.28 | 2.64

2 | 2.03 | 2.64

d, Е | 1 | 82.8 | 95.8

2 | 43.9 | 85.0

основі GaAs спостерігалося затягування кінетики спадання поверхневого стуму при обробці в парах аміаку, що можливо при наявності в зразках колективних потенціальних бар’єрів. Величина ДПС лінійно залежала від парціального тиску парів аміаку у діапазоні 102–104Па як до, так і після стравлювання порушеного шару. Стравлювання порушеного шару на порядок зменшувало величину стаціонарного значення додаткового струму. Адсорбція молекул NH3 не змінювала спектр фотоструму p-n структур до та після cтравлювання порушеного шару. Це говорить про те, що стравлювання порушеного шару не впливає на швидкість поверхневої рекомбінації.

За допомогою еліпсометричних досліджень були виявлені параметри оксидної плівки на типових монокристалічних пластинах GaAs розміром 3Ч7 ?м, які піддавались тривалому зберіганню. Дослідження оксидного шару за допомогою еліпсомертії показало, що існує суттєва різниця значень ефективного показника заломлення і оптичної товщини оксидного шару від зразка до зразка. Після того, як зразок помістили в насичені пари аміаку з парціальним тиском Р=11700Па на 30 хвилин, параметри оксидної плівки значно покращились, що показано в таблиці 1. Обробка в парах аміаку веде до того, що ефективний коефіцієнт заломлення плівки n для різних зразків прийняв однакове значення n=2.64. Оптична товщина плівки оксиду GaAs d збільшилась, та мало відрізняється від зразка до зразка.

Результати досліджень поверхні, виміряні за допомогою атомної силової мікроскопії в типовому зразку GaAs, до (а) та після (б) обробки в насичених парах аміаку показані на рис. 3. Із рис.3 видно, що пари аміаку роблять поверхню більш однорідною, на поверхні p-n переходу з’являється періодична структура у вигляді локальних підйомів („горбів” ) та понижень („ямок”).

Висновки

Сукупність експериментальних даних, отриманих при виконанні дисертаційної роботи, дозволяє встановити основні фізичні процеси, які протікають на поверхні p-n переходів на основі напівпровідників АIIIВV під впливом оточуючого газового середовища, та дозволяють створити сенсори парів аміаку.

На основі проведених досліджень було встановлено:

- Аналіз стаціонарних вольт–амперних характеристик прямих та зворотних поверхневих струмів у подвійних лазерних гетероструктурах на основі GaAs–GaAlAs та p-n структурах на основі GaAs та GaP показав, що насичені пари дистильованої води, етилового спирту і ацетону практично не впливають на поверхневі струми досліджених структур. Пари аміаку ведуть до різкого зростання поверхневого струму в p-n переходах на основі напівпровідників АIIIВV. Поява додаткового поверхневого струму пояснюється утворенням провідного поверхневого каналу в р-області під дією електричного поля, яке створюють адсорбовані іони аміаку.

- Підвищення температури веде до зменшення величини додаткового поверхневого струму, що пояснюється зростанням ймовірності десорбції іонів аміаку. Енергія активації для десорбції молекул аміаку з поверхні GaAs складає ДEа=0,29 еВ.

- Кінетика наростання поверхневого струму в p-n переходах при підвищенні концентрації аміаку в навколишній атмосфері значно повільніша, ніж кінетика спадання струму при зменшенні парціального тиску аміаку. Затягування кінетики наростання додаткового поверхневого струму p-n структур після впуску парів аміаку і спадання струму, після видалення парів аміаку, обумовлено заповненням електронами глибоких поверхневих рівнів та термічним вивільненням електронів з даних рівнів.

- В p-n переходах на основі GaAs із шліфованою поверхнею виявлено існування поверхневих рекомбінаційних центрів з малим перерізом захоплення електронів, з потенціальним бар’єром висотою =0,480,54еВ.

- Дослідження шару поверхневого оксиду на GaAs до та після взаємодії з парами аміаку за допомогою еліпсометричних вимірювань показало, що ефективний коефіцієнт заломлення оксидної плівки та оптична товщина плівки при обробці в парах аміаку збільшуються і мало відрізняються від зразка до зразка.

- Вимірювання за допомогою атомно–силової мікроскопії показало, що пари аміаку роблять шар поверхневого окису більш однорідним.

- Зміна стаціонарних характеристик гетероструктур при впуску атмосфери аміаку може бути використана для створення селективних газових сенсорів. Час відгуку лазерних p-n гетероструктур на основі GaAs–GaAlAs як сенсора парів аміаку при кімнатній температурі не перевищує 100с. Найвищу чутливість до парів NH3 мають p-n переходи з шліфованою боковою поверхнею на основі GaAs, але час відгуку їх як сенсорів дуже великий.

- Результати даних досліджень свідчать, що сенсори парів аміаку на основі p-n переходів можуть працювати тривалий час в повторному режимі.

Список друкованих праць за темою дисертації

1. Артеменко Е.С., Маслеева Н.В., Птащенко А.А., Птащенко Ф.А. Влияние окружающей атмосферы на поверхностный ток в p-n гетероструктурах на основе GaAs-AlGaAs // Вісник Одеського державного університету. Сер. фіз.-мат. науки. – 2000. – Т. 5, вип. 3 – С. 185 – 190.

2. Птащенко О.О., Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Вплив газового середовища на поверхневий струм в p-n гетероструктурах на основі GaAs–AlGaAs // Матеріали VIII Міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок. – Івано–Франківськ (Україна), 2001. – С. 144.

3. Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Вплив парів аміаку на поверхневий струм в p-n гетероструктурах на основі GaAs–AlGaAs // Тези доповідей Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА. – Львів (Україна), 2001. – С. 120.

4. Птащенко О.О., Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Вплив газового середовища на поверхневий струм в p-n гетероструктурах на основі GaAs–AlGaAs // Фізика і хімія твердого тіла.– 2001.– Т. 2, № 3. – С. 481 – 485.

5. Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Вплив парів аміаку на поверхневий струм в p-n гетероструктурах на основі GaAs–AlGaAs // Вісник Львівського університету. Серія фізична.– 2001. – Вип. 34. – С. 117 – 122.

6. Артеменко О.С., Маслєєва Н.В., Птащенко О.О., Птащенко Ф.О. Вплив парів аміаку на поверхневий струм p-n структур на основі напівпровідників AIIIBV // Вісник Одеського державного університету. Сер. фіз.-мат. науки. – 2001.– Т. 6, вип. 3. – С. 147 – 153.

7. Птащенко О.О., Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Характеристики p-n структур як газових сенсорів // 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. – Одеса (Україна), 2002. – Т. 2. – С. 76.

8. Птащенко О.О., Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Вплив парів аміаку на електричні та фотоелектричні явища в p-n переходах на основі GaAs // IХ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок. – Івано–Франківськ (Україна), 2003. – С. 169 – 170.

9. Птащенко О.О., Артеменко О.С., Птащенко Ф.О. Кінетика поверхневого струму, пов’язаного з адсорбцією іонів у p-n переходах // Фотоелектроника. – 2003, вип. 12. – С.50 – 54.

АНОТАЦІЯ

Артеменко О.С. Вплив адсорбції молекул аміаку на поверхневі явища в p-n переходах на основі напівпровідників АIII BV. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків. – Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, Одеса, 2004.

Встановлено, що в p-n структурах на основі GaAs, GaAs–AlGaAs та GaP, поміщених в пари аміаку, виникає додатковий поверхневий струм. Результати пояснюються утворенням провідного поверхневого каналу під дією електричного поля іонів аміаку, адсорбованих на поверхні власного оксиду.

Дослідження кінетики наростання та спадання поверхневого струму при адсорбції та десорбції молекул аміаку при різних температурах свідчить про наявність в p-n переходах на основі GaAs зі шліфованою боковою поверхнею „повільних” поверхневих рекомбінаційних центрів з висотою потенціального бар’єра для електронів =0,480,54еВ.

Вплив парів аміаку на морфологію поверхні p-n-структур на основі GaAs досліджено за допомогою еліпсометричних вимірювань та методами атомно–силової мікроскопії. Показано, що обробка пластин GaAs в парах аміаку покращує однорідність оксидного шару і не впливає на швидкість поверхневої рекомбінації.

Зміну ВАХ p-n структур під дією парів аміаку можна використати для створення сенсора даних парів. Результати даних досліджень свідчать, що сенсори парів аміаку на основі p-n переходів можуть працювати тривалий час в повторному режимі

Ключові слова: p-n структура, поверхневий струм, поверхневі рівні, провідний канал, аміак, сенсор.

Аннотация

Артеменко Е.С. Влияние адсорбции молекул аммиака на поверхностные явления в p-n переходах на основе полупроводников АIII BV. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико – математических наук по специальности 01.04.10 – физика полупроводников и диэлектриков. – Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, Одесса, 2004.

Обнаружено, что в p-n структурах на основе GaAs, GaAs–AlGaAs и GaP, при помещении в пары аммиака возникает дополнительный поверхностный ток. Результаты объясняются образованием проводящего поверхностного канала под действием электрического поля ионов аммиака, адсорбированных на поверхности собственного окисла.

Исследование кинетики нарастания и спадания поверхностного тока при адсорбции и десорбции молекул аммиака при разных температурах свидетельствует о наличии в p-n переходах на основе GaAs со шлифованной боковой поверхностью „медленных” поверхностных рекомбинационных центров с высотой потенциального барьера для электронов =0,480,54еВ.

Влияние паров аммиака на морфологию поверхности p-n-структур на основе GaAs исследовалось с помощью лазерной эллипсометрии, а также с помощью атомно–силовой микроскопии. Показано, что обработка пластин GaAs в парах аммиака улучшает однородность оксидного слоя и не влияет на скорость поверхностной рекомбинации.

Изменение ВАХ p-n структур под действием паров аммиака можно использовать для создания сенсоров паров аммиака. Результаты данных исследований свидетельствуют о том, что сенсоры паров аммиака на основе p-n переходов могут работать продолжительное время в повторном режиме.

Ключевые слова: p-n структура, поверхностный ток, поверхностные уровни, проводящий канал, аммиак, сенсор.

summary

Artemenko O.S. The influence of adsorption of ammonia molecules on the surface processes in p-n junctions on III–V semiconductors. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in physical and mathematical sciences by speciality 01.04.10 – physics of semiconductors and dielectrics. – I. I. Mechnikov National University of Odessa, Odessa, 2004.

It is established that, in the p-n structures on GaAs, AlGaAs–GaAs and GaP, vapors of ammonia, produce an additional surface current. Results are interpreted by formation of conducting surface channel caused by the electrical field of ammonia ions located on the surface of the natural oxide.

An analysis of kinetics of the current rise and its decay, caused by adsorption and desorption of ammonia molecules, at different temperatures, reveals the existence of “slow” recombination centers with a potential barrier of =0,480,54еV for the majority charge carriers in GaAs p-n junctions with a polished lateral surface.

The effect of ammonia vapors on the surface morphology of GaAs p-n structures was investigated by laser elipsometer and Atomic Force Microscope. It is demonstrated that the treatment of ammonia gas improves the homogeneity of natural oxide and does not change the surface recombination velocity.

The change of I–V curves of p-n structures in ammonia vapors can be utilized for creation of an ammonia sensor. Our investigations show that the ammonia sensors on p-n junctions can work a long time in the repeated regime.

Key words: p-n junction, surface current, surface levels, conducting channel, ammonia, sensor.