WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 4 Исследование электрофизических и оптических свойств -легированных кремнием слоев GaAs, выращенных методом МЛЭ на разориентированных в направлении [211] поверхностях (111)A GaAs © Г.Б. Галиев, В.Г. Мокеров¶, Э.Р. Ляпин, В.В. Сарайкин, Ю.В. Хабаров Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия (Получена 2 октября 2000 г. Принята к печати 23 октября 2000 г.) Выполнены электрофизические и фотолюминесцентные исследования -Si-легированных структур GaAs, выращенных методом МЛЭ при различных соотношениях парциальных давлений PAs/PGa = на подложках с ориентациями (111)A точно и разориентированных в направлении [211]. Измерения по эффекту Холла показыают, что проводимость изменяется от p- к n-типу при увеличении давления As (т. е. ).

Наблюдаемые изменения формы спектров фотолюминесценции интерпретированы в рамках кинетического подхода, базирующегося на различии плотности свободных химических связей на террасах и ступеньках вицинальной поверхности, возникающих на разориентированных в [211] направлении подложках.

1. Введение выращенных на подложках GaAs с ориентацией (100), изучены довольно подробно [8–15]. В [15] отмечается Получение высокосовершенных эпитаксиальных пле- сильное качественное отличие спектров фотолюминеснок (ЭП) является актуальной задачей как для иссле- ценции (ФЛ) для n- и p-типа -легированных слоев на дования фундаментальных свойств, так и для прибор- (100) GaAs и трудности обнаружения и исследования ных применений. Разориентирование подложек GaAs от спектров ФЛ от одиночных -слоев n-типа проводимости.

ориентации (111)A в направлении [211] на углы от 1 Это связано с отталкивающим действием потенциала до 4, согласно [1], приводит к появлению вицинальной -слоя для неосновных носителей и, как следствие, поверхности, состоящей из террас с (111)A и ступенек с близкой к нулю вероятностью рекомбинации с участием (111)B плоскостями, а в направлении [211] к появлению электронов, локализованных в потенциальной яме [11].

террас с (111)A и ступенек с (100) плоскостями [2].

Однако в литературе нет данных об исследовании Авторам [1] удалось с помощью газофазной эпитак- свойств -Si-легированных слоев, выращенных на подсии с использованием металлорганических соединений ложках GaAs с ориентацией (111)A точно, или разоривырастить структуры с хорошей однородностью и со ентированных, в которых в зависимости от соотношения ступеньками, достигающими высоты до 30 монослоев.

потоков As и Ga можно получить -Si-слои как n-, так и По мнению авторов, такую технологию роста можно p-типа проводимости.

использовать для создания структур с квантовыми ни- В данной работе приводятся результаты исследотями. Однако в этой работе нет данных о свойствах ваний электрофизических свойств и спектров ФЛ легированных эпитаксиальных пленок.

-легированных кремнием эпитаксиальных слоев, выИнтерес к свойствам ЭП, выращенных на подложках ращенных методом МЛЭ при различных значениях GaAs с ориентацией (111)A, вызван еще тем, что крем- на разориентированных в направлении [211] подложках ний в этом случае показывает ярко выраженные амфо- (111)A GaAs.

терные свойства. Если в случае ориентации GaAs (100) кремний занимает место преимущественно в подрешетке 2. Получение эпитаксиальных пленок Ga, образуя ЭП n-типа, то в случае ориентации (111)A и методы исследования в зависимости от температуры роста (Ts) и соотношения потоков мышьяка и галлия ( = PAs/PGa, где PAs Исследуемые образцы выращивались в установке и PGa — парциальные давления паров As и Ga в зоне МЛЭ ”ЦНА-24” (Россия, г. Рязань). В качестве подлороста эпитаксиальных пленок в установке молекулярножек использовались полуизолирующие подложки GaAs с лучевой эпитаксии (МЛЭ)) можно вырастить как комориентацией (111)Aточно (just) и разориентированные пенсированные, так и n- или p-типа проводимости в направлении [211] на углы = 1, 1.5 и 3.

ЭП [2–7]. Использование -легирования кремнием в этих В одном технологическом процессе роста при опредеслучаях может позволить получить -слои, а возможно, ленном значении выращивались образцы на подложках и квантовые нити n- и p-типа проводимости.

с указанными углами разориентации, образец (111)A Отметим, что свойства -легированных слоев n-типа и, кроме этого, образец на подложке с ориентацией (в случае использования кремния) и p-типа (в случае (100). Для этого все указанные подложки приклеивались использования бериллия) на эпитаксиальных пленках, с помощью индия на молибденовый держатель. Выра¶ E-mail: mok@mail.cplire.ru щенные структуры включали: нелегированный буферный 422 Г.Б. Галиев, В.Г. Мокеров, Э.Р. Ляпин, В.В. Сарайкин, Ю.В. Хабаров Подвижность Слоевая концентрация Ориентация № Тип µ, см2/В · с ns, см-и угол разориента- Значение образца проводимости ции подложки T = 300 K T = 77 K T = 300 K T = 77 K 1 (100) n 18 601 1070 2 · 1012 1.6 · 2 (111)A ±0.5 p 18 54 53 6.3 · 1012 4.8 · 3 (111)A 1 p 18 43 50 1.0 · 1013 6 · 4 (111)A 1.5 p 18 49 205 6.2 · 1012 7.3 · 5 (111)A 3 p 18 60 145 4.9 · 1012 1.3 · 6 (100) n 63 305 1251 1.3 · 1013 6 · 7 (111)A ±0.5 n 63 129 1247 3.6 · 1012 1.8 · 8 (111)A 1 n 63 271 593 1.1 · 1012 1.7 · 9 (111)A 1.5 n 63 175 563 2.0 · 1012 3.5 · 10 (111)A 3 n 63 166 360 1.1 · 1012 7 · слой толщиной 0.48 мкм, -слой кремния и верхний которые представлены на рис. 1. Для всех образцов, как нелегированный слой толщиной 0.033 мкм. Эпитакси- это видно из рисунка, наблюдается большое содержание альный рост проводился при Ts = 600C, а температура Si в тонких приповерхностных слоях. Природа наличия Si кремниевого источника задавалась такой, чтобы обес- в структурах GaAs, содержащих легированные кремнием печить в слоях GaAs (100) концентрацию электронов слои в глубине эпитаксиальных пленок, при анализе проводимости n = 1 · 1018 см-3, время -легирования методом ВИМС обсуждалась в [16,17], поэтому здесь мы было 135 с. Во время формирования -слоя рост преэту область рассматривать не будем.

рывался, т. е. заслонка молекулярного источника галлия Как видно из рис. 1, для образцов № 2, 3, 5, выращензакрывалась. Условия формирования всех исследуемых ных при = 18, профили NSi(x) от -Si-слоя получаются структур представлены в таблице. Концентрация носисильно размытыми и определить значение полуширины телей и тип проводимости определялись путем измере-слоя, т. е. величины FWHM (full width at half ния коэффициента Холла. Спектры фотолюминесценции maximum), практически невозможно. Это, по-видимому, (ФЛ) измерялись при T = 77 K в диапазоне энергий связано с тем, что эпитаксиальные пленки при малых фотонов от 1.3 до 1.55 эВ. Для их возбуждения значениях получаются более дефектными. Заметим, использовался Ar+-лазер с длиной волны = 488 нм что аналогичная закономерность наблюдалась и в [2].

и плотностью излучения до 100 Вт / см2. Профили Известно, что ионное травление при анализе методом распределения кремния по глубине NSi(x) измерялись ВИМС приводит к возрастанию развития рельефа пона вторично-ионном масс-спектрометре IMS-4F фирмы ”Cameca”. При этом в качестве первичного пучка использовались ионы кислорода O+ с энергией Ep = 5кэВ.

Площадь растра составляла 250 250 мкм, а сбор вторичных ионов кремния осуществлялся с центрального участка растра размером 60 60 мкм при разрешении по массам 5000. Изображения поверхности исследуемых образцов получены с помощью растрового электронного микроскопа ”CamScan” в режиме вторичных электронов при ускоряющем напряжении 30 кэВ.

3. Обсуждение результатов В таблице представлены условия формирования, а также измеренные при T = 77 и 300 K значения слоевой концентрации ns и подвижности µ. Как видно, при = 18 образцы, выращенные на подложках (111)A GaAs (образцы № 2–5), имеют p-тип, а при = 63 — n-тип проводимости. A структуры, выращенные на (100) GaAs (образцы № 1, 6), показывают n-тип проводимости в обоих случаях. Рассмотрим измеренные методом Рис. 1. Профили распределения кремния по глубине NSi(x), вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) профили измеренные методом ВИМС. Номера на кривых соответствуют распределения кремния NSi(x) на исследуемых образцах, номерам образцов в таблице.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Исследование электрофизических и оптических свойств -легированных кремнием слоев GaAs... Рис. 2. Изображение поверхности исследуемых образцов, полученное с помощью растрового микроскопа. Номера на снимках соответствуют номерам образцов в таблице.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 424 Г.Б. Галиев, В.Г. Мокеров, Э.Р. Ляпин, В.В. Сарайкин, Ю.В. Хабаров увеличением угла разориентации от 0 до 3 значение уменьшается, в частности, если для = 0 7 = 123, то для = 3 10 = 63. На наш взгляд, это связано с улучшением морфологии поверхности эпитаксиальных пленок при увеличении угла разориентации, что в свою очередь улучшает как разрешение по глубине во время анализа методом ВИМС, так и связанное с этим реальное уменьшение ширины -Si-слоя.

Рассмотрим теперь результаты измерений спектров ФЛ. На рис. 3 представлены измеренные при T = 77 K спектры ФЛ для образцов № 1–5, а на вставке — диаграмма оптических переходов для GaAs, построенная по экспериментальным данным, полученным в [4,7,9].

Как видно из рис. 3, в спектрах ФЛ, кроме образца № 1, наблюдаются две полосы. Одна из них, расположенная при 1.508 эВ и обозначенная здесь как B-полоса, соответствует межзонной излучательной рекомбинации (e–h). Вторая широкая полоса, с максимумом пика при 1.361.38 эВ, присутствует только в образцах, выращенных на подложках (111)A с разными и -Si-слоем, и обозначена на рис. 3 как Si-полоса. На рис. 4 представлены спектры ФЛ образцов, выращенных при тех же условиях на аналогичных рис. подложках (кроме (100) GaAs), но без -Si-слоя. Как видно из рис. 4, Si-полоса в этом случае отсутствует.

Это дает основание заключить, что эта полоса связана Рис. 3. Спектры фотолюминесценции, измеренные при T = 77 K, для образцов № 1–5, выращенных при = 18 с -Si-легированными слоями. Спектры смещены относительно друг друга по вертикали. На вставке — предполагаемая зонная диаграмма для оптических переходов.

верхности, а это в свою очередь вызывает ухудшение разрешения по глубине при анализе методом ВИМС.

На рис. 2 представлены изображения поверхности исследуемых образцов, полученных с помощью растрового электронного микроскопа. Как видно из рис. 1 и 2, именно образцы с сильно уширенными профилями имеют большую дефектность (образцы № 2, 3, 5). Таким образом, сильное уширение профилей -Si-слоя для образцов № 2, 3, 4, изображенных на рис. 1, скорее всего связано с морфологией поверхности и с усилением развития рельефа поверхности при ионном травлении.

В то же время для образцов № 1, 7–11 профили -слоев получаются не так сильно размытыми, хотя и наблюдается уход кремния к поверхности. Значения полуширины составляют: 120, 100, 123, 80, 71, для образцов № 1 и 6–10 соответственно, т. е. близки к наблюдаемым значениям для -легированных слоев при анализе методом ВИМС. То, что 1 > (здесь индексы при соответствуют номерам образцов Рис. 4. Спектры фотолюминесценции, измеренные при в таблице) для образцов, выращенных на (100) GaAs, поT = 77 K, для образцов, выращенных на подложках (111)A видимому, связано с тем, что эпитаксиальный рост при при тех же условиях, как и образцы № 1–5, но без -Si-слоя.

= 18 является не очень оптимальным с точки зрения Спектры смещены относительно друг друга по вертикали. На морфологии поверхности. Обратим внимание на то, что с кривых указаны значения углов разориентации.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Исследование электрофизических и оптических свойств -легированных кремнием слоев GaAs... излучения определяется выражением e = Eg - (EA + ED) +, 40r где Eg — энергия запрещенной зоны, EA и ED — акцепторные и донорные уровни, и 0 — относительная диэлектрическая проницаемость GaAs и вакуума, e — заряд электрона, r — расстояние между донором и акцептором.

Таким образом, мы имеем к энергии перехода Eg - (EA + ED) 1.36 эВ добавку e2/40r, связанную с взаимодействием внутри D-A-пары. Для нашего случая величина r будет определяться некоторым средним расстоянием между донором и акцептором в парах для каждой длины террасы Lter. А значения Lter составляют Рис. 5. Схематическое расположение атомов Ga и As на 37.2, 18.6, 12.4 и 6.2 нм для = 0.5, 1, 1.5 и 3 соповерхности (111)A при разориентировании подложек в наответственно. Величина добавки e2/40r для r = правлении [211].

и 10 нм составляет 0.0027 и 0.012 эВ соответственно, т. е. она увеличивается с ростом угла разориентации и сопоставима с наблюдаемым сдвигом Si-полосы в спектрах ФЛ, представленных на рис. 3, в сторону с -Si-слоем. Заметим, что в спектрах ФЛ от одиночных больших энергий. Таким образом, сдвиг Si-полосы с -легированных бериллием (-Be-слой) слоев, выращенростом может быть объяснен изменением расстояний в ных на подложках (100) GaAs, также остутствует поD-A-парах на ступеньках и террасах вицинальной грани.

лоса в диапазоне 1.361.38 эВ. А особенности Рассмотрим ЭП, выращенные при больших, т. е. при спектров ФЛ -Be-слоя p-типа проводимости связаны 63. В этом случае, как известно, ЭП, легирос переходами между зоной проводимости и акцепторными уровнями, создаваемыми атомами бериллия, и расположены в области 1.421.49 эВ [11,12,15].

Полосу при 1.36 эВ в спектрах ФЛ для эпитаксиальных пленок, выращенных на подложках (111)A GaAs, обычно приписывают рекомбинации электронов, локализованных на вакансиях мышьяка VAs, с дырками на уровне акцептора — кремния в узле мышьяка SiAs [4,7], т. е. переходом VAs–SiAs. Эта полоса ФЛ наблюдается и в легированных кремнием эпитаксиальных пленках, выращенных на подложках (100) GaAs, после отжига при T > 600C [16], и на пленках, выращенных на подложках (111)A, (211)A, (311)A при низких давлениях As [7,18] или также после отжига [18,19].

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.