WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Электрофизические свойства твердых растворов p-GaAs1-xSbx, легированных германием © Т.Ю. Аллен1, Т.А. Полянская Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 августа 1996 г. Принята к печати 16 сентября 1996 г.) Были исследованы эпитаксиальные пленки p-GaAs1-xSbx, легированные Ge (x = 0 0.1;

NGe = 0.01 10 ат% в жидкой фазе; концентрация дырок при комнатной температуре (0.06-40) · 1018 см-3), выращенные методом жидкофазной эпитаксии. Обнаружено, что при одной и той же концентрации Ge в жидкой фазе концентрация дырок в твердом растворе примерно в 2 раза больше, чем в GaAs, независимо от содержания Sb. Найдены энергия активации германиевого акцептора 1 = (22 ± 2) мэВ и критическая концентрация перехода металл–диэлектрик pc =(3.9 ±0.3) · 1018 см-3 для x = 0.06.

Интенсивное развитие современной оптоэлектроники до 3.4 · 1019 см-3. Толщина пленок составляла в средв значительной мере связано с применением соеди- нем 15 20 мкм. Образцы для измерений изготавливанений AIIIBV и их твердых растворов. Использование лись методом фотолитографии в форме двойного холловэпитаксиальных пленок твердых растворов GaAs1-xSbx ского креста. Контакты были сделаны путем вжигания (0 < x < 0.2) позволяет, изменяя содержание сурьмы, In на контактные площадки образца. Для исследования а следовательно, ширину запрещенной зоны активного отбирались образцы, на которых разница напряжений, слоя, получить набор оптоэлектронных приборов в ин- измеряемых на двух парах потенциальных зондов, не тервале длин волн 0.9 1.13 мкм. Выращивание эпитак- превышала 2 %.

сиальных слоев на подложках GaAs позволяет исполь- На рис. 1 показана зависимость холловской концентразовать их как широкозонное окно для ввода излучения. ции дырок при комнатной температуре p295 = 1/eR295 H Опубликованные ранее работы [1–4] посвящены специ- (R295 — коэффициент Холла при T = 295 K, H 3кГс) = H ально не легированным пленкам GaAs1-xSbx (n-тип про- от содержания Ge для образцов с разным составом по водимости), в то время как пленки p-типа практически не сурьме. Видно, что при одной и той же концентрации исследовались. В ряде приборов (p-n-переходы, фото- Ge в жидкой фазе концентрация дырок в GaAs (x = 0, катоды с отрицательным электронным сродством) слой кривая a) примерно в 2 раза ниже, чем в твердом расGaAs1-xSbx p-типа является одной из активных областей. творе с x 3% (кривая b). При этом, по-видимому, для Поэтому исследование электрофизических свойств твер- изменения концентрации дырок в твердом растворе (по дого раствора GaAs1-xSbx p-типа проводимости весьма сравнению с GaAs) достаточно введения Sb на уровне 1% актуально. или менее, поскольку в диапазоне содержания Sb от3% до 10.5% концентрация дырок не зависит от x (см. рис. 1, Типичными примесями для получения эпитаксиальных кривая b). Подвижность дырок уменьшается при введеслоев p-GaAs1-xSbx являются Zn и Ge [5,6]. Германий нии Sb (рис. 2). Возможно, что эти факты объясняются проявляет амфотерные свойства: он может образовывать влиянием Sb на ансамбль точечных дефектов в GaAs, доноры в узлах подрешетки галлия Ge+ и акцепторы в Ga в частности на концентрацию электрически активных узлах подрешетки мышьяка Ge-. В GaAs [7] и в твердых As центров (Ge-, Ge+ ит. п.). Так, например, в работе [10] растворах GaAs1-xSbx [6], выращенных из галлиевых As Ga растворов–расплавов, концентрация вакансий As превышает концентрацию вакансий Ga, что и обусловливает Основные характеристики образцов GaAs0.94Sb0.p-тип проводимости этих материалов при легировании Ge. Так как германий имеет м величину давления T = 295 K еньшую насыщенного пара, чем Zn, использование Ge в качестве Образец Ge, ат% d, мкм µH = RH, p295 = 1/eRH, легирующей примеси является более предпочтительным см/В · с 1018 см-для изготовления слоев p-типа проводимости с воспро1 0.01 15 153 0.изводимыми параметрами.

2 0.05 12 118 0.Мы исследовали твердые растворы GaAs1-xSbx с со3 0.1 18 158 0.держанием Sb в твердой фазе от 0 до 10.5%. До4 0.2 18 110 0.ля же Ge в жидкой фазе варьировалась от 0.01 до 5 0.2 21 83.8 1.10 ат%, что позволяло получать слои с концентрацией 6 0.3 20 85.6 1.7 0.5 18 87.6 2.дырок при комнатной температуре от 5.6 · 1016 см-8 0.6 19 79.8 2.9 0.7 20 66.7 3.В настоящее время: Physics Department, University of Tennessee at Chattanooga, TN 37403 Chattanooga, USA 10 1 16 55.6 6.588 Т.Ю. Аллен, Т.А. Полянская Основное внимание при изучении твердых растворов мы уделяли слоям GaAs1-xSbx с x = 0.06.2 Некоторые параметры исследованных образцов приведены в таблице. На рис. 3 показана экспериментальная зависимость концентрации дырок p = 1/eRH (без учета Холлфактора) от обратной температуры для наиболее слабо легированных образцов GaAs0.94Sb0.06. Обработка этих кривых с помощью уравнения нейтральности методом машинной подгонки позволяет определить термическую энергию ионизации 1, концентрацию акцепторной примеси NA и степень компенсации K = ND/NA (ND — концентрация доноров). Мы использовали известное из статистики уравнение нейтральности для невырожденного газа носителей [11]:

NA p + ND =. (1) 1 + (p/Nv) exp(1/kT ) Здесь = 4 — фактор спинового вырождения, Nv — эффективная плотность состояний в валентной зоне с массой md = mhh, где mhh — масса тяжелых дырок (как для GaAs). Уравнение (1) решалось методом итераций. Величины 1, NA и K находились из соображений наилучшего согласия расчетных и экспериментальных зависимостей p(T ). Степень компенсации K для образца с наименьшей концентрацией дырок оказалось равной 0.68; при увеличении концентрации степень Рис. 1. Зависимость холловской концентрации дырок в компенсации уменьшается до 0.5. Такая же величиGaAs1-xSbx при комнатной температуре p295 от концентрации Ge в жидкой фазе. Содержание Sb, ат%: 1–3 — 0, 4 — 3, на K была найдена для пленок, полученных по той же 5 —4.5, 6 —6, 7 —8.5, 8 — 10.5. Данные для GaAs (x = 0) технологии выращивания с концентрацией дырок (при дополнены результатами работ: 2 — [8], 3 — [9].

T = 295 K) выше 6 · 1018 см-3. Она определялась путем сравнения экспериментальных значений низкотемпературной подвижности (при T = 4.2K) с величинами, рассчитанными по теории гальваномагнитных явлений в полупроводниках с вырожденными зонами [12].3 Таким образом, можно считать, что в наших образцах степень компенсации K = 0.5приp>1017 см-3. Получающиеся значения фоновой концентрации доноров ND = KNA согласуются с величинами ND, определенными при исследовании p-n-переходов [3] и барьеров Шоттки [4] на пленках GaAs1-xSbx n-типа, выращенных в тех же технологических условиях и специально не легированных.

Полученные значения энергии ионизации показаны на рис. 4 в зависимости от концентрации дырок при T = 295 K p295 = 1/eR295 (которая примерно соответH ствует значению NA-ND) и от величины p1/3. Значение 1 =(22 ± 2) мэВ, определенное для образца с наименьшей концентрацией дырок, оказалось весьма близкой Рис. 2. Зависимость холловской подвижности дырок µH в GaAs1-xSbx (x = 0 и x = 0.06) при комнатной температуре Это связано с тем, что в специально не легированных пленках от содержания Ge в жидкой фазе. Обозначения: 1 —GaAs, GaAs1-xSbx (0.01 < x < 0.13) n-типа проводимости, выращенных 2 —GaAs [8], 3 —GaAs0.94Sb0.06.

в той же технологической установке, при x = 0.06 наблюдались максимумы в зависимости от состава как подвижности электронов при T = 77 K, так и квантового выхода фотолюминесценции при T = 4.2K.

Это было объяснено минимальным количеством структурных дефектов в GaAs1-xSbx при x = 0.06 [1,10].

было обнаружено уменьшение концентрации центра с Выполаживание зависимостей p(1/T ) для образцов 4 и 5 (рис. 3) энергией Ev+0.1 эВ, связанного с комплексами примесь– при T < 140 K (1000/T > 7K-1) может быть связано с темвакансия при легировании GaAs сурьмой. Однако вопрос пературной зависимостью Холл-фактора. Но, возможно, этот эффект о механизме этого влияния нуждается в дополнительном является свидетельством начала ионизации более мелкого уровня (см., исследовании. например, [11]).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Электрофизические свойства твердых растворов p-GaAs1-xSbx, легированных германием Рис. 3. Зависимость концентрации дырок p от обратной Рис. 4. Зависимость энергии ионизации Ge от концентрации температуры для GaAs1-xSbx при различном содержании Sb. носителей в образцах: 1 — GaAs0.94Sb0.06; 2 — GaAs [8].

Номера у кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

Стрелками обозначены величины, полученные из фотолюмиСплошные линии — уравнение (1).

несцентных исследований [8,13].

PL симость приведенной энергии активации к значению 1 = 24 мэВ, приведенной в работе [13] при изучении спектров фотолюминесценции в твердом w = /kT = T-1 ln /T-1 (2) растворе GaAs0.94Sb0.06, легированном Ge. На рис. показаны также значения термической энергии иониза(см. рис. 5, b), чтобы попытаться разделить области ции Ge в эпитаксиальном GaAs по данным работы [8]. - = const (где w T ) и область w (T0/T )-1/4 — Авторы [8] приводят значение 1 =(35±2) мэВ (найдено с переменной длиной прыжка. К сожалению, в нашем с помощью обработки температурных зависимостей RH) распоряжении было слишком мало образцов на диэлекPL и 1 = 38 мэВ (фотолюминесцентные исследования).

трической стороне перехода металл–диэлектрик, чтобы 1/Линейная зависимость (p1/3 NA ) характерна для = делать какие-то общие заключения как о законах измеводородоподобных состояний примеси в полупроводни- нения зависимости (T ), характерных для диэлектричеках и проявляется в той области концентрации электро- ского режима, так и о температурных границах действия нов или дырок, где становится заметным экранирование этих законов. На рис. 5, b хорошо видна лишь переходная локализованных примесных состояний как носителями область между энергиями 1 и 3 [16], причем величина тока, так и зарядом ионизированных примесей. Эта зави3 не растет с увеличением концентрации примесей просимость достаточно четко видна как для GaAs (кривая 2), порционально N1/3, а убывает (см. кривую 5 на рис. 5, a так и для GaAs0.94Sb0.06 (кривая 1). При экстраполяи кривые 6–8 на рис. 5, b), как это должно быть при ции данных для GaAs к p1/3 = 0 получаем значение возрастании перекрытия волновых функций акцепторов as as 1 = 38.3мэВ, а для GaAs0.94Sb0.06 — 1 = 34 мэВ. при приближении к переходу металл–диэлектрик [16].

Температурные зависимости удельного сопротивле- На рис. 6 показаны зависимости проводимости и ния для ряда образцов показаны на рис. 5, a. Путем подвижности µH = RH при T = 4.2 K от концентрации дифференцирования этих кривых по методу, развитому дырок p295 NA-ND. По аналогии с хорошо изученны= в работах [14,15], мы определили температурную зави- ми полупроводниками (см., например, данные для Ge Sb Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 590 Т.Ю. Аллен, Т.А. Полянская в работе [17]) по зависимости µH(p) можно оценить критическую концентрацию дырок pc для перехода металлдиэлектрик в GaAs0.94Sb0.06: pc =(3.9 ±0.3) · 1018 см-3.

Эту величину можно сравнить с критической концентрацией, которую следует оценить используя соотношение p1/3a =, (3) c B где a — эффективный боровский радиус примесного B состояния с энергией 1 и = 0.26 — численный коэффициент. В основе соотношения (3) лежит простое предположение о том, что переход к металлической проводимости происходит, когда радиус экранирования Rs становится порядка a и поэтому носители заряда из-за B межэлектронного взаимодействия не могут оставаться на локализованных орбитах примесных состояний. Величина Rs в линейном по экранированию приближении) Рис. 6. Зависимость проводимости и подвижности дырок µH (T = 4.2K) от концентрации дырок p295 в твердом растворе GaAs0.94Sb0.06.

определяется соотношением L2, < -4, (4а) F1/2() D R2 = = s 4e2 p F-1/2() a /4kF0, 10, (4б) B где = F/kT, F — энергия Ферми, — диэлектрическая проницаемость полупроводника, Fj() —интегралы Ферми [11], LD — дебаевская длина, kF0 =(32p)1/3 — величина волнового вектора при > 10, т. е. T 0.

Если предположить, что Rs|p=pc = Rsc = a, B то из (4б) (т. е. в области металлической проводимости) следует соотношение типа (3) 1/ p1/3a = 0.254.

= c B 4 Вработе [18] на основе анализа широкого спектра экспериментальных данных было показано, что при значении коэффициента = 0.26± 0.01 действительно в широкой области материалов, включающих легированные различными примесями полупроводники, выполняется соотношение (3), несмотря на упрощенную водородоподобную модель примесного состояния. Чтобы оценить радиус Рис. 5. Температурные зависимости: a — удельного сопроти- локализованного примесного состояния a, используем B вления p-GaAs0.94Sb0.06, b — приведенной энергии активации соотношение, рекомендуемое в работе [16] w (2). Номера у кривых соответствуют номерам образцов в a = / 2m1. (5) таблице. B Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Электрофизические свойства твердых растворов p-GaAs1-xSbx, легированных германием Заметим, также, что при сильном различии масс лег- характеристики имела минимум и возникла сильная заких и тяжелых дырок асимптотика волновых функций висимость низкотемпературной объемной проводимости носителей заряда на больших расстояниях определяется образцов от концентрации, измеренной при комнатной легкой массой, а энергия 1 — в основном тяжелой температуре. Они также наблюдали, что при концентрамассой [16].4 Действительно, эффективная боровская циях ниже 2 · 1018 см-3 имелась, не обращаясь в нуль, энергия B = me4/22 для тяжелых дырок в GaAs энергия активации в диапазоне температур ниже 10 K.

(при = 12.79, m = mhh = 0.46 ± 0.05) составляет Отметим также, что и в наших исследованиях нулевых (38 ± 4) мэВ, т. е. соответствует значениям энергии, аномалий туннельных контактов Au/p-GaAs0.94Sb0.06 [20] приведенным ранее:

(твердый раствор был легирован Ge) в области концентраций вблизи 3.7 · 1018 см-3 проявлялся максимум в PL as 1 = 38 мэВ, 1 38.3мэВ.

= зависимости относительной величины туннельной аномалии от p при T = 4.2K.

Для GaAs0.94Sb0.06 разброс соответствующих значений Таким образом, наша оценка величины критичеэнергии ионизации Ge гораздо больше ской концентрации для перехода металл–диэлектрик PL as в твердом растворе GaAs0.94Sb0.06 дает значение 1 = 24 мэВ, 1 34 мэВ, B|GaAsSb 36 мэВ.

= = pc (3.9 ± 0.3) · 1018 см-3.

= Последняя величина рассчитана при m = mhh|GaAs и при предположении о линейной зависимости величины Список литературы диэлектрической проницаемости при переходе от GaAs к GaAs0.94Sb0.06:

[1] Ю.Ф. Бирюлин, В.Н. Каряев, И.Ю. Новикова, Т.А. Полянская и др. ФТП, 15, 2288 (1981).

=(1 -x)|GaAs + x|GaSb [2] С.Б. Демичева, В.Н. Каряев, С.В. Мясников, Х.Г. Нажмудинов, Т.А. Полянская и др. Электрон. техн., сер. 2, при величинах |GaAs = 12.8, |GaSb = 15.7. Принимая Полупроводниковые приборы, № 5 (164), 19 (1983).

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.