WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 3 Трансформация спектров фотолюминесценции слоев GaAs, сильно легированных бериллием, после гидростатического сдавливания ¶ + © Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев, J. Bak-Misiuk, A. Misiuk, J.Z. Domagala, J. Adamczewska Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, 02-668 Warsaw, Poland + Institute of Electron Technology, 02-668 Warsaw, Poland (Получена 21 мая 2003 г. Принята к печати 18 июня 2003 г.) Изучалось влияние отжига при высоких температурах и высоких гидростатических давлениях на фотолюминесценцию сильно легированных слоев GaAs : Be, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs. В спектрах слоев с концентрацией атомов бериллия более 5 · 1019 cм-3 после обработки обнаружено „синее“ смещение полосы краевой люминесценции и возрастание относительной интенсивности плеча, лежащего на высокоэнергетическом крыле полосы краевой фотолюминесценции. В этих же слоях наблюдалось концентрационное уменьшение параметра кристаллической решетки GaAs, отличное от закона Вегарда. Наблюдаемые эффекты объяснены образованием включений бериллия при высоких уровнях легирования GaAs. Из-за разности коэффициентов сжимаемости и термического расширения GaAs, с одной стороны, и включений бериллия, с другой стороны, обработка при высоких температурах и высоких давлениях приводит к образованию структурных дефектов и, как следствие, к возрастанию вероятности непрямых в k-пространстве излучательных переходов.

Сильно легированный GaAs p-типа проводимости ши- Отжиг слоев проводился в течение 1 ч при температуре роко используется для изготовления омических контак- 870 K, равной температуре роста слоев, в режимах:

тов и активных слоев в приборных структурах, таких 1) при атмосферном давлении, как туннельные диоды и биполярные транзисторы. Од- 2) при высоком гидростатическом давлении ним из существенных параметров сильно легированных (12 кбар) [2].

слоев является время жизни неосновных носителей Измерения стационарной фотолюминесценции (ФЛ) заряда, определяемое рекомбинацией через уровни де- проводились при температуре 77 K на установке, опифектов и оже-рекомбинацией. При получении сильно санной в работе [3]. Стационарная ФЛ возбуждалась легированных слоев GaAs p-типа проводимости ме- Ar+-лазером с длиной волны излучения, равной 488 нм.

Для определения релаксированной постоянной кристалтодом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) широко лической решетки в исходных и подвергнутых гидростаиспользуют такие примеси, как углерод и бериллий.

Недавно было показано, что рекомбинация неравновес- тическому сжатию слоях GaAs : Be применялся метод Фьюстера [4] с использованием высокоразрешающего ных электронов в слоях GaAs, сильно легированных рентгеновского дифрактометра. При этом анализировалуглеродом, определяется в основном оже-процессами, ся набор высокоугловых (006, 335 и 117) брэгговских отпоскольку углерод полностью встраивается в GaAs как ражений. Параметры релаксированной кристаллической мелкий акцептор замещения и не образует дефектов с решетки материала рассчитывались, используя следуюглубокими уровнями [1].

щее выражение:

В данной работе изучалось влияние обработки при высоких температурах и высоких давлениях на люминесa + 2Ca a =. (1) центные свойства сильно легированных слоев GaAs : Be, 1 + 2C полученных методом МЛЭ. Было обнаружено образоваЗдесь a — параметр решетки, перпендикулярный грание в слоях GaAs : Be структурных дефектов, являющихнице слой/подложка, a — параметр решетки, парался центрами безызлучательной рекомбинации.

лельный этой границе, и Исследуемые слои GaAs : Be толщиной 1.5 мкм были 1 - выращены методом МЛЭ на полуизолирующей подложC =, 1 + ке GaAs ориентации (100). Слои отделялись от подложки буферным слоем GaAs толщиной 10 нм, в середине где — отношение Пуассона, величина которого для которого было выращено 20 периодов сверхрешетки GaAs равна 0.311.

(AlAs)5(GaAs)5. Сверху слои GaAs : Be закрывались сло- Концентрации атомов бериллия CBe и дырок Np ем намеренно нелегированного GaAs толщиной 10 нм. определялись методами вторичной ионной массспектрометрии (ВИМС) и Ван-дер-Пау соответствен¶ E-mail: timur@thermo.isp.nsc.ru но. Данные ВИМС и холловских измерений для исTel: 8-3832-Fax: 8-3832-332771 следованных образцов приведены в табл. 1. Бериллий 3 290 Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев, J. Bak-Misiuk, A. Misiuk, J.Z. Domagala, J. Adamczewska Таблица 1. Концентрации дырок (Np) и атомов бериллия ки GaAs : Be спектры ФЛ, измеренные в 5 различных (CBe) в слоях GaAs : Be точках по площади образца, практически совпадают.

Отжиг слоев при высоком гидростатическом давлении Np ± 10%, 1019 см-3 Np ± 10%, 1019 см-не приводил к изменению спектров ФЛ слоев с концентрацией дырок p 2.6 · 1019 cм-3, в то время как в Образец До отжига После отжига CBe, спектрах более легированных слоев, как это видно на под давлением под давлением 1019 см-рис. 2, наблюдалось увеличение интенсивности коротко300 K 77 K 300 K 77 K волнового плеча, обозначенного на рисунке стрелкой, и A 0.5 0.5 0.5 0.5 0.„синий“ сдвиг краевой полосы ФЛ. „Синий“ сдвиг макB 2.6 2.7 2.5 2.0 симума краевой полосы ФЛ обусловлен, по-видимому, C 8 7 5.0 2.4 D 9.2 5.8 4.2 1.8 21.встраивается преимущественно в галлиевую подрешетку и является мелким акцептором (энергия связи дырки на акцепторе равна 28 мэВ). Уменьшение концентрации дырок при уменьшении температуры измерений от до 77 K для образцов C и D, вероятно, связано с присутствием глубоких акцепторов, ионизируемых при комнатной температуре. Подобный эффект наблюдался нами ранее для намеренно нелегированных слоев GaAs [5], поэтому было предположено, что холловская концентрация дырок при 77 K равна концентрации бериллия в галлиевой подрешетке BeGa. Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что полная концентрация атомов бериллия в слоях, определенная методом ВИМС, превышает концентрацию BeGa, полученную из холловских данных. Эти дополнительные атомы могут занимать межузельные положения или собираться в Рис. 1. Спектры низкотемпературной (T = 77 K) фотолюмивиде бериллиевых включений. Необходимо отметить, несценции слоев GaAs : Be с различной концентрацией аточто концентрация BeGa в образце D меньше, чем в мов бериллия, определенной методом ВИМС. CBe, 1019 см-3:

образце C, однако концентрация бериллия, определенная 1 —0.5, 2 —5, 3 — 18, 4 — 21.5.

методом ВИМС, оказалась больше. Это может означать, что концентрация бериллиевых включений и (или) межузельных атомов не прямо пропорционально зависит от концентрации атомов бериллия.

Cпектры низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) слоев GaAs : Be с различным уровнем легирования приведены на рис. 1. Полоса краевой люминесценции, связанная с межзонными переходами, происходящими с сохранением квазиимпульсов неравновесных носителей заряда, доминирует в спектрах всех исходных слоев, измеренных при 77 K. Эта полоса сдвигается в длинноволновую сторону с ростом концентрации дырок пропорционально p1/5 вследствие сужения запрещенной зоны, индуцированного примесью [6]. Кроме того, в образцах с высоким уровнем легирования на коротковолновом крыле этой полосы ФЛ наблюдается плечо, которое связывается с излучательными переходами электронов, локализованных вблизи дна зоны проводимости с дырками, имеющими энергию, соответствующую энергии Ферми в валентной зоне [7]. Эти непрямые в k-пространстве Рис. 2. Спектры фотолюминесценции сильно легированных переходы происходят за счет рассеяния квазиимпульса слоев GaAs : Be: 1 — исходный, 2 — после обработки при на потенциале примесей и дефектов. Необходимо оттемпературе 870 K и давлении 12 кбар. Стрелка указывает на метить высокую однородность по площади оптических положение плеча, обусловленного излучательными непрямыми свойств образцов. Так, для каждой исследованной плен- в k-пространстве переходами.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Трансформация спектров фотолюминесценции слоев GaAs, сильно легированных бериллием... уменьшением концентрационного сужения эффектив- Таблица 2. Изменение параметров решетки в слоях GaAs : Be ( a показывает изменение величины a) ной ширины запрещенной зоны, о чем свидетельствует уменьшение концентрации дырок после отжига образцов под давлением (см. табл. 1). a ± 0.5 · 10-4,. a ± 0.5 · 10-4,.

Исходные слои GaAs : Be Усиление ФЛ, обусловленной непрямыми в k-проОбразец После отжига странстве переходами, свидетельствует о формировании под давлением эксперимент расчет высокой, сравнимой с концентрацией атомов бериллия, A -1 -0.5 < 0.концентрации дефектов кристаллической решетки. Этот B -3.7 -3.8 вывод подтверждается также:

C -8.6 -10.1 1.1) шестикратным уменьшением интенсивности ФЛ D -6 -9.2 после отжига и гидростатического сжатия, 2) данными холловских измерений (см. табл. 1), показывающими примерно двукратное уменьшение концентрации дырок после отжига образцов при высоком Изменения релаксированных параметров решетки давлении, что свидетельствует об образовании компенслоев GaAs : Be приведены в табл. 2. Из таблицы видно, сирующих дефектов, что экспериментально обнаруженное уменьшениe ре3) данными исследований кристаллической структуры лаксированных параметров решетки для образцов B–D слоев GaAs : Be, проведенных методом дифракции рентменьше значений, рассчитанных по формуле (2). Этот геновских лучей.

эффект, вероятно, связан с включениями бериллия, обДля всех исследованных слоев параллельная поразующимися при росте слоев. Если такие включения, верхности подложки постоянная решетки a равна содержащие бериллий, создаются при росте слоев, то постоянной решетки GaAs aGaAs = 5.65332. Однаотжиг при высоком гидростатическом давлении должен ко для всех исследованных сильно легированных беповлиять на структуру дефектов в GaAs : Be и привести риллием слоев GaAs были обнаружены уменьшение к дополнительному изменению параметров кристаллипостоянной решетки a, измеренной перпендикулярно ческой решетки. Такое изменение — увеличение парагранице слой/подложка, и релаксация параметров решетметров решетки после отжига a — действительно ки [8]. Известны две причины, вызывающие изменение наблюдалось экспериментально, как видно из табл. 2.

параметров кристаллической решетки материала при Это изменение связано с введением дополнительных легировании электрически активными атомами примеси:

дефектов решетки при отжиге из-за различия коэф1) влияние размеров атомов примеси и 2) влияние свободных носителей заряда. Относительные изменения фициентов сжимаемости и термического расширения параметров решетки для полупроводников p-типа про- исходного материала и включений, содержащих берилводимости, имеющих зонную структуру типа цинко- лий. Известно, что напряжения между преципитатами вой обманки, обусловленные перечисленными выше и матрицей, возникающие при отжиге, проводимом под двумя факторами, описываются следующим выраженивысоким гидростатическим давлением, могут достигать ем [9–11]:

критического значения для введения дислокационных a/a = s Na + pNp, (2) петель и других дефектов [12].

Для проверки предположения о влиянии гидростатигде Na — концентрация атомов бериллия в галлиевой ческого давления на образование дефектов был проведен подрешетке (равная концентрации дырок в образцах контрольный отжиг исходных образцов при той же при 77 K, см. табл. 1), Np — концентрация дырок температуре и атмосферном давлении. Мы не обнарув валентной зоне (при 300 K), s и p — параметжили каких-либо изменений в форме и интенсивности ры, описывающие размерный эффект (соответствующий спектров ФЛ после отжига, а изменения холловской правилу Вегарда) и эффект присутствия дырок:

концентрации дырок лежали в пределах точности изме4(Rd - Rs) рения (±10%).

s = = 2.03 · 10-24, (3) 3aNТаким образом, связанные с бериллием структурные дефекты были обнаружены в сильно легированных слоD ях GaAs : Be (концентрация атомов бериллия меньше p = = 0.4978 · 10-24. (4) 3B 5 · 1019 cм-3), подвергнутых отжигу при высоком гидростатическом давлении. Эти дефекты действуют как Здесь N0 = 2.21 · 10-22 cм-3 — плотность атомов галцентры безызлучательной рекомбинации и увеличивают лия в нелегированном GaAs; Rd и Rs — ковалентные радиусы бериллия (1.11 ) и галлия (1.22 ) со- вероятность излучательных переходов, происходящих без сохранения квазиимпульса и связанных с электроответственно; B — объемный модуль GaAs, равный 7.5 · 106 H/cм2, D — деформационный потенциал для нами вблизи края зоны проводимости и с дырками на вершины валентной зоны, равный 0.7 эВ. уровне Ферми в валентной зоне.

3 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 292 Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев, J. Bak-Misiuk, A. Misiuk, J.Z. Domagala, J. Adamczewska Список литературы [1] R.K. Ahrenkiel, R. Ellingson, W. Metzger, D.I. Lubyshev, W.K. Lui. Appl. Phys. Lett., 78, 1879 (2001).

[2] A. Misiuk. Mater. Phys. Mech., 1, 119 (2002).

[3] К.С. Журавлев, В.А. Колосанов, М. Холланд, И.И. Мароховка. ФТП, 31, 1436 (1997).

[4] P.F. Fewster, N.L. Andrew. J. Appl. Cryst., 28, 451 (1995).

[5] К.С. Журавлев, А.В. Калагин, Н.Т. Мошегов, А.И. Торопов, Т.С. Шамирзаев, О.А. Шегай. ФТП, 30, 1704 (1996).

[6] S. Kim, M.-S. Kim, K.S. Eom, S.-K. Min. J. Appl. Phys., 73, 4703 (1993).

[7] D. Olego, M. Cardona. Phys. Rev. B, 22, 886 (1980).

[8] J. Bak-Misiuk, A. Misiuk, K.S. Zhuravlev, J.Z. Domagala, J. Adamczewska, V.V. Preobrazhenskii. Physica B, 308–310, 820 (2001).

[9] T. Figielski. Phys. St. Sol., 1, 306 (1961).

[10] Wei Li, M. Pessa. Phys. Rev. B, 57, 14 627 (1997).

[11] M. Leszczynski, J. Bak-Misiuk, J. Domagala, J. Muszalski, M. Kaniewska, J. Marczewski. Appl. Phys. Lett., 67, (1995).

[12] J. Jung. Phil. Mag., A30, 257 (1984).

Редактор Т.А. Полянская Stress-induced transformation in photoluminescence spectra of homoepitaxial beryllium-doped GaAs thin layers T.S. Shamirzaev, K.S. Zhuravlev, J. Bak-Misiuk, A. Misiuk+, J.Z. Domagala, J. Adamczewska Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090 Novosibirsk, Russia Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, 02-668 Warsaw, Poland + Institute of Electron Technology, 02-668 Warsaw, Poland

Abstract

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.