WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 Изменение спектров оптического поглощения ядерно-легированного GaAs при отжиге © В.Н. Брудный¶, Н.Г. Колин¶¶, Д.И. Меркурисов, В.А. Новиков Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, 634050 Томск, Россия Филиал ГНЦ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 249020 Обнинск, Россия (Получена 28 ноября 2000 г. Принята к печати 29 ноября 2000 г.) Спектры оптического поглощения GaAs, облученного реакторными нейтронами (потоками до D = 2 · 1019 см-2) при температурах 70, 350–390, 850C, исследованы при последующем изохронном отжиге до 1100C. Показано, что свободные носители (в концентрации n 1017 см-3) в облученном материале появляются при температурах отжига вблизи 400–550C. Оценено качество ядерно-легированного материала в зависимости от условий облучения и температуры последующего термического отжига.

1. Введение 2. Методика эксперимента Исходные кристаллы n- и p-типа проводимости, выМетод трансмутационного (ядерного) легирования поращенные методом Чохральского, параметры которых лупроводников путем облучения тепловыми нейтронапредставлены в таблице, облучались полным спектром ми привлекает внимание исследователей, поскольку он нейтронов на реакторе типа BBP-Ц (Филиал ГНЦ обеспечивает контролируемое введение химической приНИФХИ им. Л.Я. Карпова, г. Обнинск) при температурах меси в кристалл путем вариации интегрального потока Tirr 70, 350–390 и 850C при плотности потока ядерного излучения и обеспечивает возможность потепловых нейтронов (1-5) · 1013 см-2 · с-1 и кадмиевом лучения материала с высокой степенью однородности числе 10 (энергия E > 0.3МэВ). Температура, при электрофизических параметров. Основной недостаток которой проводилось облучение, достигалась за счет метода — формирование в решетке полупроводника ”саморазогрева” образцов путем увеличения массы облупосле ядерных воздействий значительных концентраций чаемого материала. После спада наведенной активности дефектов структуры, которые в большой степени опреоблученные образцы поступали на измерения и последуделяют свойства материала непосредственно после обющий отжиг в интервале температур Tann = 20-1100C.

лучения. Это вызывает необходимость устранения такиx Отжиг проводился в течение 20 мин в вакууме при нарушений путем пострадиационного отжига или с помотемпературах до Tann = 50C, а при более высоких щью высокотемпературного облучения. Таким образом, температурах термообработка облученного материала высокотемпературная обработка материала является непроводилась в кварцевых ампулах при равновесном отъемлемой составляющей метода ядерного легировадавлении паров As. Для устранения поверхностных ния. Все эти вопросы достаточно хорошо изучены при эффектов образцы после высокотемпературного отжига трансмутационном легировании Si. Для полупроводнисошлифовывались с каждой стороны на 50–100 мкм.

ков сложного состава, в частности GaAs, эти проблемы все еще находятся в стадии исследований.

В настоящей работе представлены экспериментальные 3. Экспериментальные результаты данные по исследованию легирования GaAs при реактори их обсуждение ном облучении. При этом в качестве основного метода исследования использованы спектры оптического погло- 3.1. Электрофизические свойства щения материала как после облучения реакторными нейБомбардировка реакторными нейтронами приводит к тронами, так и в процессе последующего изохронного накоплению в решетке GaAs химическиx элементов отжига материала. До настоящего времени основные свеGe (40%) и Se (60%) за счет ядерных превращений Ga дения о свойствах ядерно-легированного GaAs получены и As соответственно, что используется для получения главным образом из электрофизических измерений и материала n-типа проводимости. При этом, главным исследования спектров фотолюминесценции, в то время образом за счет быстрых нейтронов, в решетке GaAs как данные по спектрам оптического поглощения такого формируется высокая плотность радиационных дефектов материала отсутствуют.

(РД), для устранения которых и активации введенных при облучении химических примесей необходим высо¶ E-mail: brudnyi@ic.tsu.ru;

котемпературный нагрев ядерно-легированного материFax: (3822) ¶¶ ала (или облучение при повышенных температурах).

E-mail: fci@meteo.ru;

Fax: (08439) 63911 Выбор оптимальной температуры отжига (или темпе7 740 В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, Д.И. Меркурисов, В.А. Новиков Режимы облучения, отжига и параметры образцов GaAs при T = 295 K,, n, µ, n, n, µ, n, Ом-1 · см-1 D, Ом-1 · см-1 см-3 см2/В · с см-3 см-3 см2/В · с см- Образцы Tirr, C до 1017 см-2 после Tann = 900C Tann = 1100C облучения облучения 1(n) 10-7 70 200 6.8 · 10-2 1.6 · 1018 1490 2.8 · 1018 1.7 · 1018 1840 3.0 · 2(p) 101 350–390 90 3.0 · 10-3 9.2 · 1017 2170 1.3 · 1018 1.0 · 1018 2030 1.4 · 5(n) 10-2 850 5 2.0 · 10-4 8.0 · 1016 4140 1.4 · 1017 4.8 · 1016 3650 1.0 · Примечание. Значения n оценены из спектров оптического поглощения с использованием данных [1].

ратуры облучения) приобретает особое значение для Электрофизические параметры исследованных матеGaAs, поскольку это связано не только с термической риалов до облучения, а также облученных максимальныстабильностью РД в данном соединении, но и с процесса- ми потоками (D) реакторных нейтронов и отожженных ми образования акцепторов, характерными для арсенида до температур Tann = 900 и 1100C представлены в галлия при высоких температурах. таблице.

Известно, что облучение GaAs реакторными нейтрона- Изменение электропроводности облученных материами приводит к уменьшению электропроводности исход- лов при последующем изохронном отжиге в интервале ного материала до значений 10-9 Ом-1 · см-1 при температур Tann = 20-1100C показано на рис. 1.

температуре T = 300 K [2] вследствие захвата свободных Можно отметить стадии изменения при температурах носителей заряда глубокими ловушками радиационного 200–300, 400–600 и вблизи 750–850C, характерные для происхождения, спектр которых исследован в ряде ра- облученного нейтронами GaAs [6]. Связь выявленных бот [3,4]. При этом уровень Ферми в таком материале стадий с отжигом глубоких радиационных дефектов обстабилизируется вблизи Ev + 0.6 эВ. Это предельное суждается в ряде работ (см., например, [4]). При этом (стационарное) положение уровня близко к расчетному изменения вблизи Tann = 200-300C приписываются положению уровня локальной электронейтральности в отжигу точечных радиационных дефектов, так называданном материале и сохраняется при дальнейшем облуемых E- и H-ловушек — основных компенсирующих чении [5]. Последующее облучение (”переоблучение”) центров в арсениде галлия, облученном электронами такого материала нейтронами приводит к формированию или -квантами. Изменения вблизи Tann = 400-600C низкоомных образцов вследствие появления прыжковой приписываются исчезновению более сложных дефектов проводимости носителей заряда по локальным состояни(так называемых P-центров), а более высокотемпературям РД [2,6].

ные стадии восстановления электропроводности приписывают отжигу сложных дефектов неизвестной природы.

Для кристаллов, облученных при высоких температурах (образец Г5, Tirr = 850C), наблюдается основная стадия восстановления в области Tann = 150-220C, которая обусловлена отжигом точечных E- и H-дефектов, наведенных в образце при его хранении после реакторного облучения за счет ”самооблучения” материала 70 -квантами и -частицами при распаде Ge, Ge и As [7]. Отсутствие стадий высокотемпературного отжига электропроводности для образца Г5 (Tirr = 850C) показывает, что накопления сложных дефектов в таком материале в процессе реакторного облучения не происходит.

Эти исследования выявляют, что отжиг при Tann > 900C облученного реакторными нейтронами материала не приводит к существенному изменению его электрофизических параметров.

3.2. Оптическое поглощение Рис. 1. Изменение проводимости (1–3) и коэффициента В облученных реакторными нейтронами образцах наоптического поглощения на длине волны 9 мкм (4–6) при блюдается появление значительного оптического поглоизохронном отжиге (20 мин) образцов ядерно-легированного щения в ”примесной” области спектра, при энергиях GaAs Г1 (1, 4), Г2 (2, 5) и Г5 (3, 6). Температура измерения фотонов меньше ширины запрещенной зоны (h < Eg) T = 295 K.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Изменение спектров оптического поглощения ядерно-легированного GaAs при отжиге на рис. 1, качественно совпадает с изменением электропроводности образцов и соответствует уменьшению плотности оптически активных РД — центров компенсации электропроводности. Рост ( = 9мкм) при Tann 550C обусловлен появлением свободных электронов за счет легирования материала водородоподобными донорными примесями (Ge, Se) и уменьшением концентрации глубоких РД. Данные оптических исследований совместно с электрофизическими измерениями показывают, что Tann 900C достаточна для активизации химической примеси и отжига основной доли радиационных нарушений в ядерно-легированном GaAs. Более того, пoвышение температуры отжига (до 1100C) приводит к понижению концентрации свободных электронов в слабо и умеренно легированных кристаллах (образцы Г2, Г5), что совпадает с данными электрофизических исследований и указывает на формирование компенсирующих центров акцепторного типа при высоких температурах отжига (рис. 1). В сильно облученном материале (Г1) коэффициент поглощения ( = 9мкм) продолжает возрастать при отжиге до 1100C, несмотря на процессы термической генерации акцепторов в GaAs при данных температурах, что указывает на неполный отжиг РД в сильно облученном материале.

Данные рис. 2 для материала Г1 и аналогичные исследования кристаллов Г2 и Г5 использованы для оценРис. 2. Изменение спектров коэффициента оптического поглоки концентрации свободных электронов в отожженных щения при изохронном отжиге (20 мин) ядерно-легированобразцах. В соответствии с [1] величина /n, здесь n — ного GaAs, образец Г1. (1–13) соответствуют температурам концентрация свободных электронов, в легированном воотжига Tann = 20, 200, 300, 370, 450, 500, 600, 700, 800, 900, дородоподобными донорами GaAs изменяется в пределах 1000 и 1100C. Температура измеpения T = 295 K.

(4.2–7.5) · 10-18 см2 для длины волны = 2мкм и в пределах (3-8) · 10-17 см2 для = 9мкм (при 300 K) при изменении концентрации свободных электронов в (рис. 2), величина которого пропорциональна интеграль- материале от 1 · 1017 до 7 · 1018 см-3. Это позволяет из оптических измерений оценить концентрацию свободных ному потоку нейтронов и природа которого в образцах электронов в исследованных образцах для температур GaAs, облученных быстрыми нейтронами, исследовалась отжига Tann = 900 и 1100C (см. таблицу). Полученные рядом авторов (см., например, [6]). Пострадиационный отжиг таких образцов приводит к исчезновению наве- из оптических измерений данные близки к соответствующим значениям, полученным из электрофизических изденного облучением ”примесного” поглощения, а при мерений, хотя и превышают последние приблизительно Tann 550C оптические измерения свидетельствуют о появлении свободных электронов в характерных для в 1.5 раза, что обусловлено неточностью оценок сечения GaAs областях длин волн: = 4-10 мкм — поглощение оптического поглощения на свободных электронах.

на свободных носителях; = 1-4 мкм — ступенька по- Качество ядерно-легированного материала оценено из глощения, обусловленная оптическими переходами элек- измерения спектральной зависимости m в области тронов между различными ветвями зоны проводимости.

поглощения свободными электронами при повышении Следует отметить, что температура отжига Tann 550C температуры пострадиационного отжига (рис. 3). Появляется критической для облученного реакторными казатель степени m при этом изменяется от 3.9 до 2.нейтронами GaAs, поскольку именно вблизи данной при изменении температуры отжига от Tann = 550С температуры отмечается не только появление свобод- (неполный отжиг РД) до 1100C. Полученное конечное ных электронов по измерениям спектров оптического значение m для ядерно-легированного и отожженного поглощения, но и восстановление постоянной решетки, материала типично для GaAs, легированного в расплаве плотности и микротвердости облученного реакторными водородоподобными донорными примесями, и свидетельнейтронами GaAs [8].

ствует наряду с данными по холловской подвижности Изменение коэффициента поглощения ( = 9мкм) электронов (см. таблицу) о достаточно высоком качестве при отжиге облученных материалов, представленное ядерно-легированного материала.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 742 В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, Д.И. Меркурисов, В.А. Новиков Исследовано влияние Tirr на характер изменения спектров оптического поглощения материала при последующем изохронном отжиге (рис. 4). Увеличение Tirr приводит к соответствующему температурному сдвигу начала изменения спектров оптического поглощения облученного материала (кристаллы Г1 и Г2) при отжиге, однако при высоких температурах отжига (Tann > Tirr) влияния Tirr на изменение спектров оптического поглощения изученных материалов не обнаружено. Характерная особенность изменения оптических спектров при отжиге материала Г5 (Tirr = 850C) — появление свободных электронов в образцах при Tann 400C (рис. 4, кривая 12). Как и при электрофизических измерениях (рис. 1), это, по-видимому, вызвано отжигом точечных E- и H-дефектов, наведенных в данном материале за счет самооблучения при хранении, которые выступают в качестве основных компенсирующих центров в таких образцах. При этом сдвиг кривой изохронного отжига для ( = 9мкм) в область высоких температур по сравнению с восстановлением электропроводности (рис. 1) обусловлен малой величиной сечения поглощения ( 10-17 см2) на свободных электронах в GaAs.

Следует ожидать, что и в материалах Г1, Г2 такие дефекты также должны давать вклад в стадию низкотемпературного восстановления коэффициента поглощеРис. 4. Влияние температуры, при которой проводилось реакторное облучение, на изменение спектров оптического поглощения GaAs при последующем изохронном отжиге (20 мин).

Образец Г1, Tirr = 70C, Tann, C: 1 — 20, 2 — 900. Образец Г2, Tirr = 350-390C, Tann, C: 3 —20, 100, 200, 300, 4 — 400, 5 — 500, 6 — 550, 7 — 600, 8 — 700, 9 — 900, 10 — 1100.

Образец Г5; Tirr = 850C; Tann, C: 11 — 20, 100, 200, 12 — 400, 13 — 600, 14 — 900. Температура измерения T = 295 K.

ния, однако наличие сложных дефектов (кластеров) в этих материалах стабилизирует уровнь Ферми вблизи предельного положения в облученном GaAs (вблизи середины запрещенной зоны) при температурах отжига Tann < 500C.

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.