WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

уровня легирования может быть обусловленно ионизациС центрами излучательной рекомбинации R связана ей экситонов под действием встроенного электрического линия D в спектрах ФЛ исследованных слоев, сильно поля, которе образуется вследствие крупномасштабных перекрытая с линией (e,Mn), обусловленной рекомбифлуктуаций пространственного распределения доноров нацией неравновесных носителей заряда через уровни и акцепторов. Ионизация экситонов электрическим поакцептора MnGa. Концентрация центров R, так же лем наблюдается тогда, когда изменение потенциала как и концентрация доноров, возрастает при повышении на расстоянии, равном диаметру орбиты экситона (в уровня легирования быстрее, чем концентрация акцептоGaAs 200 для (D, X) и 270 для (A, X) [14,15]), ров MnGa. Это следует из возрастания интенсивности сравнимо по порядку величины с энергией ионизации линии D относительно интенсивности линии (e,Mn) с экситонов [16], причем характерный размер области повышением уровня легирования [6]. Однако при повстроенного поля должен быть больше, чем диаметр вышении температуры роста слоев, которое приводит к орбиты экситона. В зависимости от типа и зарядового созначительному уменьшению концентрации доноров, мы стояния примеси энергия ионизации связанного экситона не обнаружили изменения относительной интенсивности в GaAs изменяется в пределах 0.8 3.4мэВ [17,18], что линии D. Возможно это связано с тем, что линии D и дает значение поля ионизации Ei порядка 200500 В/см.

(e,Mn) в спектрах ФЛ сильно перекрываются и количеДля оценки значений напряженности встроенного поственный анализ интенсивностей этих линий затруднен.

ля в исследованных слоях была использована модель, Поэтому вопрос, являются ли центры излучательной предложенная Шкловским и Эфросом [19]. Характерный рекомбинации R теми донорами, которые определяют размер областей встроенного поля, который совпадает с электрическую компенсацию в исследованных слоях, радиусом экранирования флуктуации r, и его напряженостается открытым.

ность E связаны с полными концентрациями доноров ND Образование центров безызлучательной рекомбинаи акцепторов NA следующими выражениями:

ции в слоях GaAs : Mn, выращенных из расплава висмута, подтверждается данными рис. 5, a, на котором приведены r = 0.58(NA)1/6/(ND)1/2, (1) зависимости интегральной интенсивности ФЛ IPL исследованных слоев при 4.2 K от концентрации марганца в E = 0.26 · EMn(ND/NA)1/4/(e · r) жидкой фазе. Видно, что с повышением XMn интеграль1/3 ная интенсивность ФЛ падает более чем на 2 порядка.

= 0.45 · EMn · NA (ND/NA)3/4/e, (2) При комнатной же температуре (см. рис. 5, b) IPL измегде EMn = 110 мэВ [20] — энергия ионизации акцептора няется всего в 3 раза, причем зависимость IPL = f (XMn) MnGa, e — заряд электрона. имеет немонотонный характер. Из рис. 5, a и b видно Исследуемые слои имеют проводимость p-типа, поэто- также, что для слоев, выращенных при TG = 800C, + му можно считать, что ND = ND. Вследствие большого значения IPL выше.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Свойства легированных марганцем слоев арсенида галлия, выращенных методом... для числа носителей заряда, рекомбинирующих через уровни центра NR в единицу времени, и IMn = CnMn · dn · CpMn(p + dp)NMn CnMn · dn + CpMn[(p + dp) +A· exp(-EMn/kT )] (4) для интенсивности линии (e,Mn). При этом L = IMn + INR. (5) Здесь p — равновесная концентрация свободных дырок;

dn и dp — концентрации неравновесных электронов и дырок соответственно; L — количество генерированных в единицу времени электрон-дырочных пар (мы взяли L равным интегральной интенсивности ФЛ при T = 4.2 K слоя 2, в котором концентрация центров NR минимальна); k — постоянная Больцмана; NMn, NNR, EMn, ENR, CnMn, CpMn, CnNR, CpNR — концентрации, энергии связи носителей заряда и коэффициенты захвата электронов и дырок для центров MnGa и NR соответственно; A — константа. Поскольку при T = 4.2K EMn и ENR kT, можно, предположив, что dp = dn p, записать отношение выражений (4) и (3) для этой температуры в следующем виде:

IMn/INR = NMn · B/NNR, (6) где B=CnMn·CpMn(CnNR+CpNR)/[CnNR·CpNR(CnMn+CpMn)].

Сучетом(5) и(6) концентрация центров NR может быть записана как NNR = NMn · B(L - IMn)/IMn. (7) Рис. 5. Зависимость интегральной интенсивности ФЛ при 4.2 K (a) и 295 K (b) в слоях GaAs : Mn от концентрации Концентрацию акцепторов MnGa можно оценить по данмарганца в жидкой фазе. Ta, C: 1 — 700, 2 — 800.

ным холловских измерений, взяв ее пропорциональной концентрации ионизованных при комнатной температуре акцепторов NA. Тогда Для определения зависимости концентрации центров безызлучательной рекомбинации (обозначим их как цен- NNR NA · B(L - IMn)/IMn. (8) тры NR) от уровня легирования были проанализированы Зависимости концентрации центров безызлучательной концентрационные зависимости интегральной интенсиврекомбинации, рассчитанные по формуле (8), от конценности ФЛ исследованных слоев при температуре жидкотрации марганца в жидкой фазе приведены на рис. 3.

го гелия в рамках модели, предложенной в работе [21].

Видно, что концентрация центров NR при повышении Как видно из рис. 1 работы [6], интегральная инуровня легирования возрастает быстрее, чем концентратенсивность излучательной рекомбинации во всех исция акцепторов. Этот факт согласуется с немонотонследованных слоях GaAs : Mn определяется более чем ным видом зависимостей IPL = f (XMn) при комнатной на 90% рекомбинацией через уровни акцептора MnGa.

температуре (см. рис. 5, b). В отличие от T = 4.2K, Если предположить, что безызлучательная рекомбинакогда в силу глубины залегания акцепторного уровня ция определяется в основном рекомбинацией через уровмарганца с увеличением XMn концентрация дырок не ни центра NR, то можно построить следующую систему возрастает (p dp) и рост концентрации центров уравнений, описывающую рекомбинацию носителей заNR приводит к резкому гашению ФЛ (рис. 5, a), при ряда в исследуемых слоях:

295 K с увеличением XMn концентрация дырок растет, что при малых значениях XMn приводит к возрастанию INR = CnNR · dn · CpNR(p + dp)NNR CnNR · dn интегральной интенсивности ФЛ (центров безызлучательной рекомбинации еще мало). Однако из-за того, что + CpNR[(p + dp) +A· exp(-ENR/kT )] (3) концентрация центров безызлучательной рекомбинации Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 796 К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева возрастает быстрее, чем концентрация акцепторов (ды- стает, что при сублинейном росте концентрации акцепторок), при дальнейшем повышении уровня легирования ров приводит к увеличению степени компенсации.

резкое возрастание концентрации центров NR приводит Проанализируем возможные причины образования к тому, что значения IPL начинают падать. компенсирующих доноров. Достаточно высокая чистота Характер зависимостей NNR = f (XMn), близкий к использованного марганца и малое количество его в квадратичному, позволяет предположить, что центры жидкой фазе (вследствие высокого коэффициента расбезызлучательной рекомбинации являются комплексами, пределения при выращивании GaAs : Mn из расплава висконцентрация компонентов которых зависит от концен- мута) с учетом значений коэффициентов распределения трации марганца в жидкой фазе (примесно-дефектными донорных примесей в GaAs [5,22,23] исключает предкомплексами). При этом с повышеним уровня легирова- положение о том, что высокая концентрация доноров в ния концентрация центров NR возрастает синбатно кон- исследованных слоях при большом значении XMn обуслоцентрации доноров. С повышением температуры роста влена некоей донорной примесью, внесенной марганцем слоев концентрация центров безызлучательной рекомби- в раствор–расплав. Этому предположению противоречит нации уменьшается, равно как и концентрация доноров. также сверхлинейная (приблизительно квадратичная) заТаким образом, зависимости концентрации центров NR висимость концентрации доноров в слоях от концентраот концентрации марганца в жидкой фазе и температуры ции марганца в жидкой фазе.

роста свидетельствуют о том, что именно эти центры Скорее всего легирование GaAs марганцем в промогут явиться донорами, существенно влияющими на цессе ЖФЭ из расплава висмута приводит к образоваэлектрическую компенсацию слоев GaAs : Mn. нию дефектов кристаллической решетки или примеснодефектных комплексов донорного типа. В пользу образования комплексов свидетельствует близкий к квадраОбсуждение результатов тичному характер зависимостей ND = f (XMn). Вопрос о составе примесно-дефектных комплексов не может быть Как мы и ожидали, при одинаковом значении XMn решен в рамках данной работы. Очевидно, однако, что концентрация дырок в слоях, исследованных в настоих появление обусловлено спецификой не только легиящей работе, значительно превышает концентрацию рующей примеси, но и ансамбля собственных точечных дырок в слоях, выращенных из галлия [7–9]3 (при дефектов кристаллической решетки, характерного для XMn 10-3 ат. долей на порядок величины и более), что GaAs, выращенного жидкофазной эпитаксией из расплаобусловлено закономерным повышением коэффициента ва висмута, и состава жидкой фазы в процессе роста распределения марганца как примеси, встраивающейся слоев, так как, насколько нам известно, возрастание в Ga-подрешетку GaAs, при перходе к висмутовому степени компенсации с повышением уровня легирования раствору-расплаву [5]. Но, несмотря на это, мы не и появление в спектрах ФЛ линии D, которую мы смогли получить слоев GaAs : Mn с p > 6·1018 см-3, т. е.

также связываем с образованием примесно-дефектных с концентрацией дырок большей, чем в слоях GaAs : Mn, комплексов [6], не наблюдалось в GaAs : Mn, полученном выращенных из расплава галлия, так как, во-первых, другими методами [20,24,25].

из-за разного характера зависимостей p = f (XMn) разДля объяснения этого факта рассмотрим процессы, ница в значениях p в слоях, выращенных из разных происходящие при кристаллизации слоев, с точки зрения расплавов, при больших значениях XMn сокращалась, кристаллохимии. Известно [26], что в жидкой фазе может во-вторых, при этом уровне легирования начиналось происходить предварительная ассоциация атомов, обранасыщение зависимостей p = f (XMn), и, в-третьих, при зующих химическое соединение. Ассоциация становитXMn > 1.5·10-3 для TG = 800CиXMn > 1·10-2 ат. долей ся существенной при температуре, равной температуре для TG = 700C гладкость поверхности слоев настолько плавления TF данного соединения, и по мере снижения ухудшилась, что не удалось полностью удалить с нее температуры вероятность ассоциации повышается. Маррасплав.

ганец образует с мышьяком соединения, температура Наличие в спектрах ФЛ образцов 2 и 8 хорошо разплавления которых выше температуры, при которой решенных экситонных лининй свидетельтствует о низбыли выращены слои в нашем эксперименте: MnAs кой концентрации фоновых примесей в слоях GaAs : Mn (TF = 935C), Mn2As (TF = 1029C) и, возможно, с p 1 · 1018 см-3, выращенных из висмутового Mn3As2 (TF > 950C) [27]. При ЖФЭ GaAs : Mn из раствора–расплава. Это согласуется с высокими значерасплава галлия, когда жидкая фаза более чем на 95% ниями холловской подвижности дырок при 77 K и низкисостоит из атомов Ga, который также образует с мыми значениями коэффициентов компенсации (K < 10-3) шьяком соединение (GaAs), причем более тугоплавкое, и концентрации доноров (ND < 1015 см-3) в этих слоях.

чем соединения марганца (TFGaAs = 1238C [27]), Однако с повышением уровня легирования концентрация вероятность ассоциации атомов Mn и As чрезвычайдоноров в слоях GaAs : Mn резко (сверхлинейно) возрано низка, так как вероятен конкурирующий процесс предварительной ассоциации атомов As и Ga (тем не В [8] при определении концентрации дырок не учитывалось выменее в работе [8] методом рентгеновского анализа рождение валентной зоны, поэтому при сравнении результатов [8] с нашими следует значения p в работе [8] увеличить в 2.66 раза. было обнаружено присутствие фазы Mn2As в быстро Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Свойства легированных марганцем слоев арсенида галлия, выращенных методом... охлажденных растворах–расплавах Ca + GaAs + Mn). суждений, он определяется отношением вероятностей При выращивании же GaAs : Mn из висмута, который образования молекул Mn2As (Mn3As2) и MnAs. Это не образует химических соединений с мышьяком [27], и тоже наблюдается в эксперименте.

когда концентрация атомов Ga в жидкой фазе снижается Таким образом, как следует из проведенного анадо единиц процентов и ниже и соизмерима с концентра- лиза, появление компенсирующих доноров в слоях цией атомов Mn при высоких уровнях легирования [28], p-GaAs : Mn, выращенных методом ЖФЭ из расплава вероятность предварительной ассоциации атомов Mn и висмута, обусловлено изменением состава жидкой фазы As значительно повышается.

в процессе роста слоев, а точнее — снижением почти Если молекулы MnAs встраиваются в растущий слой на 2 порядка концентрации галлия в растворе–расплаве GaAs, то атомы Mn, очевидно, занимают места в под- по сравнению с эпитаксией из расплава галлия. Как уже решетке Ga, становясь акцептором. Вероятность встраи- говорилось выше, компенсирующие доноры, очевидно, вания молекул повышается при понижении температуры представляют собой примесно-дефектные комплексы и роста, в результате чего концентрация акцепторов выше являются, по-видимому, центрами безызлучательной рев слоях, выращенных при TG = 700C.

комбинации. Для снижения их концентрации следует, по С повышением концентрации марганца в жидкой фазе возможности, повысить температуру эпитаксии слоев.

повышается вероятность образования в расплаве более тугоплавких молекул Mn2As (Mn3As2) по сравнению с MnAs, а это значит, что существенная часть атомов Заключение Mn отвлекается на образование этих соединений и не участвует в создании акцепторного уровня. В результате Исследования, проведенные в настоящей работе, попри выращивании слоев GaAs : Mn из расплава висмута казали, что, несмотря на возрастание коэффициента зависимости p = f (XMn) и NA = f (XMn) имеют распределения легирующей примеси марганца при засублинейный характер в отличие от ЖФЭ GaAs : Mn из мене галлиевого раствора–расплава висмутовым, из расгаллиевого расплава4. По-видимому, по этой же причине плава висмута не удалось получить слоев p-GaAs : Mn наблюдалось уменьшение концентрации дырок в слое 6 с с более высокой концентрацией дырок, чем из рассамым высоким значением XMn. Очевидно, в этом случае плава галлия. Слабо и умеренно легированные марзначительная часть атомов Mn в виде молекул Mn2As ганцем слои GaAs (вплоть до p = 1 · 1018 см-(Mn3As2) осталась в жидкой фазе, и таким образом при 395 K5), выращенные из висмутового раствора– реальное значение XMn снизилось.

расплава, имеют низкую концентрацию фоновой приЕсли молекулы Mn2As или Mn3As2 встраиваются в меси и низкую степень электрической компенсации.

Pages:     | 1 || 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.