WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Свойства легированных марганцем слоев арсенида галлия, выращенных методом жидкофазной эпитаксии из расплава висмута © К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 3 ноября 1997 г. Принята к печати 17 ноября 1997 г.) Исследованы электрические и фотолюминесцентные свойства слоев p-GaAs : Mn ориентации (100), выращенных методом жидкофазной эпитаксии из висмутового растворителя при разных температурах.

Показано, что такие слои вплоть до концентрации дырок p = 1 · 1018 см-3 при 295 K имеют низкую концентрацию фоновой примеси и низкую степень электрической компенсации. С повышением концентрации марганца в жидкой фазе концентрация доноров в слоях GaAs : Mn возрастает сверхлинейно, а концентрация ионизованных акцепторов сублинейно, что приводит к увеличению коэффициента компенсации. При повышении температуры роста концентрации доноров и акцепторов, а также значения степени компенсации уменьшаются. Проведен анализ причин образования компенсирующих доноров с позиции кристаллохимии и паказано, что за их образование может быть ответственна предварительная ассоциация атомов марганца и мышьяка в жидкой фазе. Высказано предположение, что компенсирующими донорами являются центры безызлучательной рекомбинации, концентрации которых при повышении уровня легирования возрастает быстрее, чем концентрация акцепторов MnGa.

Введение В настоящей работе исследуются электрические свойства легированных марганцем эпитаксиальных слоев GaAs, полученных методом ЖФЭ из расплава висмута.

Арсенид галлия, легированный марганцем, является Для подтверждения результатов холловских измерений перспективным материалом для создания ряда полупропривлекаются данные фотолюминесценции.

водниковых приборов (фотоприемников инфракрасного диапазона, резисторных термометров и др.) [1–3]. Для повышения чувствительности фотоприемных устройств Методика эксперимента на основе GaAs : Mn наряду с высокой концентрацией акцепторов MnGa (марганец на месте галлия) требуется Исследованные слои GaAs : Mn были выращены на низкая концентрация остаточной примеси и дефектов, подложках полуизолирующего GaAs ориентации (100) в которые являются центрами рекомбинации, уменьшаюпотоке очищенного водорода в интервалах температур щими время жизни носителей заряда и, как следствие, от 800 до 750C и от 700 до 640C по методике, чувствительность фотоприемников [1]. Оптимальным описанной раньше [4]. В дальнейшем для краткости методом получения такого материала, по нашему мнебудем указывать только начальную температуру ронию, могла бы стать жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) ста TG. Легирование осуществлялось элементарным из расплава висмута, так как использование висмута в марганцем марки МН-00, его концентрация в жидкой качестве альтернативного галлию металла–растворителя фазе XMn варьировалась в пределах от 4 · 10-5 до в ЖФЭ GaAs позволяет выращивать высокочистые мало1·10-2 ат. долей. При более высоком содержани марганца компенсированные эпитаксиальные слои с более низким сильно ухудшалась морфология поверхности слоев, что содержанием остаточной примеси [4] и в то же время препятствовало удалению с них раствора–расплава. Все повышает растворимость примеси, встраивающейся в легированные марганцем слои были дырочного типа Ga-подрешетку GaAs [5] (в данном случа — Mn). Однако проводимости. Нелегированные слои GaAs, полученные в литературе отсутствовали сведения о свойствах эпив аналогичных условиях, имели электронный тип протаксиальных слоев GaAs : Mn, полученных жидкофазным водимости. Концентрация свободных носителей заряда и методом из расплава висмута.

их подвижность определялись из измеренных методом В своей предыдущей работе [6] мы установили, что Ван–дер–Пау удельного сопротивления и постоянной в GaAs : Mn выращенном методом ЖФЭ из расплава Холла. Холловский фактор рассеяния для слоев n-типа висмута, кроме акцепторов MnGa, образуются центры проводимости принимался равным единице, а для слоев излучательной и безызлучательной рекомбинации. Была p-типа проводимости приравнивался 2.66 в соответствии определена энергия связи носителей заряда на центрах с расчетами, выполненными в работе [7], по модели, излучательной рекомбинации (41 ± 2мэВ), являющих- учитывающей выраждение зон легких и тяжелых дырок ся, по-видимому, примесно-дефектными комплексами, в центре зоны Бриллюэна.

и показано, что при повышении уровня легирования Спектры стационарной фотолюминесцеции (ФЛ) изконцентрация этих центров возрастает быстрее, чем мерялись на установке, собранной на основе моногроконцентрация акцепторов MnGa. матора СДЛ-1 с решетками 600 штрихов (фокусное 792 К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева Электрические параметры исследованных слоев в зависимости от условий выращивания - + № TG, XMn, ат. p(n), см-3 µH, см2/В · с K = NA ND + п.п. C доли 77 K 295 K 77 K 295 K ND /NA при T = 295 K, см-1 700 0 2.0 1014 2.1 1014 89120 6840 - < 1015 < 2 700 4.53 10-5 9.3 1013 7.5 1017 3340 240 0 7.5 1017 < 3 700 2.18 10-4 6.5 1014 2.1 1018 1470 170 0.027 2.2 1018 6.6 4 700 5.53 10-4 1.3 1015 3.0 1018 1050 130 0.189 3.7 1018 7.0 5 700 2.90 10-3 1.9 1015 5.8 1018 560 98 0.420 1.0 1019 4.2 6 700 9.58 10-3 3.9 1014 2.4 1018 900 130 0.260 3.3 1018 8.6 7 800 0 1.4 1014 1.5 1014 117000 7280 - < 1015 < 8 800 4.50 10-5 1.4 1014 5.8 1017 4860 270 0 5.8 1017 < 9 800 2.15 10-4 4.6 1014 1.7 1018 2050 210 0 1.7 1018 < 10 800 3.99 10-4 - 2.3 1018 - 170 0.004 2.3 1018 1.0 11 800 6.02 10-4 6.4 1014 2.9 1018 1040 150 0.033 3.0 1018 1.0 12 800 1.49 10-3 1.1 1015 3.4 1018 950 130 0.171 4.1 1018 7.0 Примечание. Образец n-типа проводности.

расстояние 600 мм, спектральное разрешение не хуже выращивания от TG = 700C до TG =800C концентра0.2 мэВ). ФЛ регистрировалась ФЭУ с фотокатодом S-1 ция дырок в слоях, выращенных из висмута, снижается в режиме счета фотонов. Для возбуждения ФЛ исполь- примерно на 20%.

зовался He–Ne-лазер, плотность мощности возбуждения На рис. 2 приведены зависимости холловской поравнялась 100 Вт/см2.

движности µH от концентрации дырок при комнатной температуре в исследованных слоях и по данным П. Кордоша [8]. Видно, что с повышением уровня легирования Экспериментальные результаты значения µH в слоях GaAs : Mn, выращенных из расплаи их анализ ва висмута, уменьшаются значительно быстрее, чем в слоях, выращенных из галлия. В слоях, выращенных из Зависимости концентрации дырок p в слоях GaAs : Mn висмута, можно заметить незначительное (на 8 18%) при комнатной температуре от содержания марганца возрастание подвижности с повышением температуры в жидкой фазе для двух серий образцов, выращенных роста от TG = 700Cдо TG =800C.

в разных температурных интервалах, представлены на Электрические параметры исследованных слоев пририс. 1. Здесь же приведена аналогичная зависимость для ведены в таблице. Наряду со значениями параметров, слоев GaAs : Mn, выращенных методом ЖФЭ из расплава определенных экспериментально (концентраций свободгаллия в температурном интервале от 850 до 820C, по ных электронов n и дырок и их холловских подвижноданным П. Кордоша с соавт. [8]1 Из рисунка видно, что застей при двух температурах), в ней приведены также висимости p = f (XMn) для слоев GaAs : Mn, выращенных из расплава висмута, имеют сублинейный характер, в то время как для слоев GaAs : Mn, выращенных из галлия, по данным [8], а также [7,9], близки к линейным. При достаточно больших значения XMn зависимости p = f (XMn) насыщаются, однако насыщение в слоях, полученных из расплава висмута, происходит при существенно меньших значениях XMn, чем в слоях, полученных из расплава галлия. Тем не менее предельный уровень легирования в слоях, выращенных из разных расплавов, примерно одинаков (p 6·1018 см-3 при комнатной температуре).

До области насыщения концентрация дырок в слоях, полученных из расплава висмута, более чем на порядок превосходит концентрацию дырок в слоях, полученных из расплава галлия (при одинаковом значении XMn). Из рисунка также видно, что при повышении температуры Рис. 1. Зависимости концентрации дырок при комнатной В отличие от нас авторы работы [8] при определении концентрации температуре в слоях GaAs : Mn от содержания марганца в дырок холловкий фактор рассеяния считали равным единице. Поэтому жидкой фазе. TG, C 1 — 700, 2 — 800, 3 — данные из для адекватного сравнения данных на рисунке приведены значения концентраций дырок из работы [8], умноженные на 2.66. работы [8].

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Свойства легированных марганцем слоев арсенида галлия, выращенных методом... Для наглядности на рис. 3 представлены зависимости - + NA и ND (в относительных единицах) от концентрации марганца в жидкой фазе. Возрастание степени компенсации в исследованных слоях, как это видно из рисунка, обусловлено сверхлинейным (примерно квадратичным) возрастанием концентрации доноров с увеличением XMn - 0.при сублинейном (примерно как NA XMn) возрастании концентрации акцепторов. При повышении температуры роста концентрация как доноров, так и акцепторов в слоях снижается, причем концентрация доноров сильнее зависит от температуры роста, что приводит к меньшей компенсации слоев, выращенных при TG = 800C.

В отличие от полученных результатов в слоях GaAs : Mn, выращенных из расплава галлия, с увеличением уровня легирования коэффициент электрической комРис. 2. Зависимости холловской подвижности дырок от их пенсации наоборот уменьшается, так как концентрация концентрации при комнатной температуре в слоях GaAs : Mn.

доноров меняется незначительно [8] или увеличивается TG, C: 1 — 700, 2 — 800, 3 — данные из работы [8].

в меньшей степени по сравнению с концентрацией ионизированных акцепторов [7,9]2.

Повышение степени компенсации при возрастании уровня легирования проявляется и в спектрах экситонной ФЛ, которые приведены на рис. 4. Из рисунка видно, что в спектре нелегированного слоя доминирует линия экситона, связанного на мелком нейтральном доноре (D, X) [11]. Кроме нее наблюдаются линии свободного экситона–поляритона X, экситона, связанного на мелком заряженном доноре (D+, X), и экситона, связанного на мелком нейтральном акцепторе (A, X), а также линия экситона, связанного на дефекте донорной природы (DC, X) [11]. В спектре наименее легированного марганцем образца 2 все перечисленные линии сохраняются, однако относительная интенсивность линий экситонов, связанных на мелких примесях, уменьшается. В спектре более легированного образца 3 линии экситонов, связанных на примесях, не разрешаются, а проявляются лишь в виде длинноволнового плеча линии FX с энергией максимума 1.515 эВ. Интенсивность этой линии сверхлинейно возрастает при повышении плотности мощности возбуждения, что свидетельствует об ее экситонной природе, а энергетическое положение позволяет связать эту линию с рекомбинацией свободных экситонов [12,13].

Рис. 3. Зависимость концентрации ионизованных при комнатИз рисунка видно также, что интенсивность всех эксиной температуре акцепторов (1, 2) и доноров (3, 4), а также тонных линий с повышением уровня легирования резко концентрация центров безызлучательной рекомбинации (5, 6) уменьшается (более чем на 2 порядка в слое 3). В от концентрации марганца в жидкой фазе. TG, C: 1, 3, 5 — 700;

более легированных слоях интенсивность экситонной 2,4,6 — 800.

ФЛ падает настолько, что определенно сказать что-либо о ее составе трудно.

Уменьшение относительной интенсивности линий экс+ итонов, связанных на мелких примесях, при повышении значения концентраций ионизированных доноров ND и акцепторов NA и коэффициента электрической компенВ цитируемых работах электрические параметры слоев определе+ ны из анализа температурных зависимостей удельного сопротивления сации K = ND /NA в слоях GaAs : Mn при комнатной и постоянной Холла в интервале 60 300 K, т. е. иначе, чем у температауре, оцененные из рассчитаных теоретически нас. Поэтому, не сравнивая абсолютные значения этих параметров в работе [10] зависимостей холловской подвижности с определенными в данной работе, мы отмечаем лишь качественное в p-GaAs от концентрации свободных дырок и ионов различие в характере их изменения. То, что такое различие не связано с разным способом оценки параметров, подтверждается тем, что в примеси. Видно, что с увеличением XMn значения K слоях, исследованных в настоящей работе, холловская подвижность возрастают, причем для серии образцов, выращенных с повышением уровня легирования падает быстрее, чем в слоях, при TG = 800C, степень компенсации ниже. выращенных из расплава галлия.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 794 К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева значения EMn даже при комнатной температуре концентрация ионизированных акцепторов много меньше полной концентрации акцепторов. Оценки полной концентрации акцепторов в исследуемых слоях, проведенные с + помощью подстановки значений EMn, ND и p в уравнение электронейтральности, показали, что в слоях 2 и концентрация акцепторов приблизительно равна 8 · NA.

С учетом этого рассчитанные значения характерного размера области встроенного электрического поля и его напряженности равны: r > 300, E < 50 В/см в слое и r 400, E 800 В/см в слое 3, т. е. E < Ei слое и E > Ei в слое 3, а значения r в обоих слоях больше диаметра орбиты экситонов.

Таким образом, проведенная оценка показала, что величина напряженности встроенного поля оказалась недостаточной для ионизации связанных экситонов в слое 2 и достаточной для их ионизации в слое 3. Такая оценка согласуется с экспериментальными результатами.

Однако если бы в слое 3 при данной концентрации акцепторов степень компенсации осталась такой же, как в слое 2, ионизации связанных на мелких примесях Рис. 4. Экситонная область спектров ФЛ. Номера спектров экситонов не произошло.

соответствуют номерам образцов в таблице.

Возможными кандидатами на роль компенсирующих доноров являются обнаруженные нами в предыдущей работе [6] центры излучательной и центры безызлучательной рекомбинации.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.