WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Высокотемпературный отжиг и ядерное легирование GaAs, облученного реакторными нейтронами © В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, В.А. Новиков, А.И. Нойфех, В.В. Пешев Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова, 634050 Томск, Россия Филиал научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я.Карпова, 249020 Обнинск, Россия (Получена 21 января 1996 г. Принята к печати 30 октября 1996 г.) Исследованы электрофизические свойства и спектр глубоких ловушек в GaAs при термообработке, нейтронном облучении и последующем отжиге до Tann = 1100 C. Показано, что при Tann > 900 C в GaAs интенсивно формируются термоакцепторы, что приводит к ухудшению свойств ядерно-легированного материала. Проведены оценки коэффициента использования примеси при ядерном легировании GaAs в зависимости от Tann и интегрального потока нейтронов. Приведены параметры глубоких ловушек в исследованном материале.

Для получения арсенида галлия n-типа проводимо- нейтронов до 2 · 1019 см-2 и отожженного в интер сти с высокой степенью объемной однородности элек- вале температур (100-1100) C. В качестве исходного трофизических характеристик в последние годы интен- материала использованы монокристаллы n- и p-GaAs, сивно развивается метод легирования путем ядерных выращенные методом Чохральского: n-GaAs (провопревращений, включающий бомбардировку материала димость = 10-7 Ом-1 см-1, образец 1), p-GaAs реакторными нейтронами и последующий высокотемпе- ( = 10 Ом-1 см-1, образец 2; = 10-1 Ом-1 см-1, ратурный отжиг, облучение материала при повышенных образец 3; = 10-5 Ом-1 см-1, образец 4) и n-GaAs температурах для устранения наведенных облучением ( = 10-2 Ом-1 см-1, образец 5). Бомбардировка радиационных дефектов (RD). Под действием тепловых полным спектром нейтронов проводилась на реактонейтронов в GaAs протекают реакции ре типа ВВР-Ц (г. Обнинск) при температурах около 70 и 850 C, плотности потока тепловых нейтронов 69 (30.2%) Ga(n, )70Ga Ge + -, Dtn = 1013 5·1013 см-2 с-1 и кадмиевом числе 10. Изохронный отжиг материала проводился в течение 20 мин 71 (19.8%) Ga(n, )72Ga Ge + -, в вакууме (при Tann < 500 C) или при равновесных 75 (50%) As(n, )76As Se + - давлениях паров As (при Tann = (600-1100) C). Для устранения поверхностных эффектов образцы после обс параметрами, соответственно, лучения сошлифовывались с каждой стороны на 50 мкм, а после отжига — на 200 мкм.

= 1.68 б, T1/2 = 21 мин, Известно, что облучение GaAs нейтронами приводит к закреплению уровня Ферми вблизи Ev + 0.6 эВ [1] = 4.7б, T1/2 = 14.1ч, и увеличению удельного сопротивления материала до = 4.3б, T1/2 = 26.4ч, max (3-5)·108 Ом·см (при 300 K) вследствие захвата что приводит к накоплению в решетке кристалла хи- свободных носителей заряда на ”глубокие” RD [2,3].

мических элементов (Ga, Se), проявляющих донорные При длительном облучении наблюдается уменьшение свойства. Выполненные к настоящему времени исследо- удельного сопротивления (по сравнению с max), что вания нейтронно-облученного GaAs выявили, что отжиг связывается с переносом заряда по локальным состояRD протекает в широком интервале температур от Tirr ниям запрещенной зоны, расположенным вблизи уровня до Tm материала (Tirr, Tm — температуры облучения и Ферми (такие ”переоблученные” образцы имеют p-тип плавления соответственно), что приводит к образова- проводимости).

нию термодефектов (TD), ухудшающих свойства ядерно- Для устранения RD и активации химической примеси легированного (ЯЛ) GaAs. Поэтому выбор оптимальной при ядерном легировании GaAs необходимо подвертемпературы отжига или облучения приобретает особое гать термической обработке. Параметры ЯЛ GaAs по значение при ядерном легировании. сле высокотемпературной обработки при 900 и 1100 C В настоящей работе исследованы спектры НЕСГУ (не- представлены в табл. 1. Изменение удельной элекстационарная емкостная спектроскопия глубоких уров- тропроводности при изохронном отжиге облученных ней) ростовых дефектов (GD) и TD в исходном GaAs, материалов показано на рис. 1. Для переоблученных закономерности их трансформации при термообработ- образцов 1 и 2 (табл. 1) отмечается непрерывное из ке до 1100 C, а также спектры RD в облученном менение электрофизических параметров GaAs с основGaAs. Выполнены измерения электрофизических па- ными стадиями отжига вблизи интервалов температур раметров GaAs, облученного реакторными потоками 200–300, 400–600, 700–900 и выше 1000 C. При этом 812 В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, В.А. Новиков, А.И. Нойфех, В.В. Пешев С целью выявления ловушек, ответственных за наблюдаемые изменения свойств GaAs, проводились измерения спектров НЕСГУ образцов, облученных быстрыми нейтронами, потоками Dfn = (1014-1017) см-2. Измерения выполнялись на барьерах Шоттки (Pd/n-GaAs) на материале, облученном нейтронами с энергией E > 0.1 МэВ при плотности потока около (4 · 109-1012) см-2 с-1, Tirr < 70 C и кадмиевом экране (d = 1мм). В качестве исходного материала для этих измерений использован слабо легированный ”солнечный” n-GaAs (n = 5 · 1016 см-3, = 30 Ом-1 см-1, образец 6).

При Dfn 1015 см-2 облучались готовые структуры, а после облучения при Dfn > 1015 см-2 барьеры Шоттки изготавливались на частично отожженных образцах, пригодных для измерения спектров НЕСГУ. Наиболее характерные спектры НЕСГУ исходных, термообработанных и облученных образцов представлены на рис. 2, а параметры выявленных ловушек — в табл. 2. Идентификация спектров проводилась путем сопоставления измеренных параметров исходных дефектов (ростовые GD), термоловушек (TD) и радиационных ловушек (RD), выявленных Рис. 1. Изменение проводимости в ядерно-легированном в исследованном материале, с характеристиками ряда GaAs при изохронном (20 мин) отжиге. Номера кривых соотловушек в GaAs, известных из литературы [5–9].

ветствуют номерам образцов в табл. 1.

Наблюдалось более 6 ловушек в исходном материале.

Ловушка GD1 (Ec - 0.12 эВ) в исходном материале близка по энергетическому положению ростовому дефекимеет место уменьшение проводимости до значений ту N2, который часто наблюдается в объемном GaAs по (10-6-10-8) Ом-1 см-1 при Tann < 500 C, что обуслоизмерениям эффекта Холла и приписывается комплексу влено уменьшением вклада прыжковой проводимости в собственный дефект решетки VGa или AsI – мелкий общий перенос заряда за счет уменьшения плотности донор, возможно, Si, формируемому при охлаждении локальных состояний в запрещенной зоне [2,3]. Аналорасплава [6]. Концентрация ловушек GD1 колеблется гичные зависимости (Tann) имели место и для переобв пределах N =(0.5-1) · 1013 см-3.

лученных образцов 3 и 4 (табл. 1). При Tann > 500 C Ловушка GD2 (Ec - 0.21 эВ, концентрация наблюдается возрастание, а при Tann > 550 C происN 5 · 1013 см-3) по своим параметрам близка ходит p-n-конверсия типа проводимости образцов 1–ростовому дефекту EL14, наблюдаемому в объемном за счет легирования примесями Se, Ge.

GaAs. Иногда при измерениях эффекта Холла ростовые В кристаллах, облученных при T = 900 C малыловушки GD1, GD2 не ”разрешаются” и сообщается о ми потоками нейтронов (образец 5, табл. 1), основдефекте с уровнем вблизи Ec-(0.130.20) эВ, который, ное восстановление проводимости протекает при предположительно, контролирует электрические Tann = (100-200) C, что соответствует отжигу точечсвойства специально не легированных кристаллов ных дефектов в GaAs и, предположительно, обусловлено GaAs, выращенных по методу Чохральского или накоплением таких дефектов за счет ”самооблучения” Бриджмена [8].

кристаллов --частицами от радиактивного распада Ловушка GD3 (Ec - 0.30 эВ, концентрация 72 Ge и As при хранении облученного материала [4].

N (2-15) · 1014 см-3) по своим параметрам Степень компенсации материала, рассчитанная из измерений подвижности свободных электронов при 77 и Таблица 1. Параметры ядерно-легированного GaAs после 300 K, лежит в пределах 0.3–0.4 при Tann = 900 C и изохронного (t = 20 мин) отжига при 900 и 1100 C; тем0.3-0.5 при Tann = 1100 C. Из данных табл. 1 следует, пература измерений Tmeas = 300 K что при отжиге в интервале температур (900-1100) C подвижность свободных электронов µ понижается в Температура облучения Tirr, C № D, образцах, облученных малыми потоками нейтронов 900 (образец 5). Для промежуточных уровней легирования образца 1015 см-(образцы 2–4) n, cм-3 µ, см2/В·с n, cм-3 µ, см2/В·с 1 200 1.6 · 1018 1490 1.7 · 1018 µ(Tann = 900 C) µ(Tann = 1100 C), 2 90 9.2 · 1017 2170 1.0 · 1018 а сильно облученном материале (образец 1) значение µ 3 90 9.5 · 1017 2300 9.2 · 1017 продолжает расти, оставаясь меньше соответствующих 4 90 9.8 · 1017 2230 9.0 · 1017 значений µ в образцах 2–5. 5 5 8.0 · 1016 4140 4.8 · 1016 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Высокотемпературный отжиг и ядерное легирование GaAs... Таблица 2. Параметры электронных ловушек, наблюдаемых в n-GaAs до (ростовые дефекты GD), после облучения нейтронами (радиационные дефекты RD) и после термообработки (термодефекты TD) Эксперимент Литературные данные [5–9] Тип ловушки E, эВ n, см2 Тип ловушки E, эВ n, смGD1 0.12 1.2 · 10-15 N2 0.GD2 0.21 1.4 · 10-15 EL14 0.21 5 · 10-GD3 0.30 6.7 · 10-15 EL7(EL6) 0.30 7.2 · 10-GD4 0.40 6 · 10-16 E11 0.43 7.3 · 10-GD5 0.58 3 · 10-14 EL3 0.57 1.7 · 10-GD6 0.75 2.9 · 10-14 EL2 0.75–0.GD7 Малоинтенсивный пик, детально не исследован TD1 0.32 3.3 · 10-14 Появляется при отжиге выше 900 C TD2 0.44 1.2 · 10-14 Появляется при отжиге выше 900 C RD1 0.18 3 · 10-13 E2 0.14 1.2 · 10-RD2 0.35 6.6 · 10-15 E3 0.30 6.2 · 10-RD3 U-полоса P1 0.35 10-14 P1 0.38 6.9 · 10-P2 0.52 3 · 10-14 P2 0.50 1.4 · 10-P3 0.63 2.9 · 10-12 P3 0.72 1.4 · 10-Примечание. Центры P1–P3 наблюдались после отжига облученных образцов.

близка центру EL7 (EL6), в объемном GaAs. При Tann < 900 C. Это указывает на то, что в данном термообработке материала при Tann > 600 C температурном интервале исчезают и другие ростовые интенсивность соответствующего пика в спектрах дефекты акцепторного типа, уровни которых расположеНЕСГУ исходного GaAs уменьшается (рис. 3). ны в нижней половине запрещенной зоны, ниже уровня Ловушка GD4 (Ec - 0.4 эВ, а концентрация дефекта EL2.

N (0.5-5)·1014 см-3) наблюдается в некоторых исходных и отожженных образцах. Ее особенность — малые значения сечения захвата электронов, около 6·10-16 см2.

При нагреве до 900 C данная ловушка практически исчезает.

Ловушка GD5 (Ec - 0.58 эВ) присутствует в исходных кристаллах в концентрациях (1-2)·1015 см-2 ипо своим параметрам близка центру EL3 [7]. Характер изменения ее концентрации при отжиге от 100 до 1100 C представлен на рис. 3.

Основная по концентрации ловушка исходного материала GD8 (N 1016 см-3), соответствующая известному центру EL2 (AsGa–X) в GaAs, существенно не изменяла своей концентрации при отжиге вплоть до 1100 C (рис. 3). Кроме того, в спектрах НЕСГУ исходных образцов наблюдались и другие малоинтересные пики, например пик GD7 на рис. 2, которые детально не исследовались.

Необходимо отметить корреляцию между отжигом ростовых ловушек (GD), образованием термодефектов (TD) при тепловой обработке и изменением электрофизических параметров исходного материала. Так, уменьшение концентрации центров GD3, GD5 привоРис. 2. Спектры НЕСГУ для образцов: 1 — исходного дит к росту концентрации свободных электронов при GaAs (образец 6), 2 — после отжига до 1000 C, 3 —после Tann 900 C, а генерация термодефектов TD1, TDоблучения нейтронами потоком D = 3 · 1015 см-2, 4 —после при Tann > 900 C — к ее уменьшению (рис. 3). Приоблучения потоком D = 1016 см-2 и отжига при 450 C.

чем общее уменьшение концентрации ростовых ловушек Условия измерения спектров: tp = 20 мкс, = 5 · 10-3 с;

электронов составляет около 3·1015 см-3 при изменении для пика Е2 = 10-4 с. Обозначения типов дефектов такие же, как в табл. 2.

концентрации свободных носителей до 2 · 1016 см-3 при Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 814 В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, В.А. Новиков, А.И. Нойфех, В.В. Пешев потоками до 1017 см2, ”следы” RD в спектрах НЕСГУ для Tann > 700 C отсутствуют, однако неполное восстановление электрофизических свойств сильно облученного материала указывает на присутствие группы RD с высокой термостабильностью, не проявляющихся при измерениях НЕСГУ.

Проведенные исследования показывают, что отжиг ЯЛ GaAs протекает в широком температурном интервале в 3 этапа, что связано с исчезновением по крайней мере трех групп радиационных дефектов:

– отжиг ловушек E-типа при (100-300) C — предположительно точечных дефектов, характерных для GaAs, облученного -квантами, электронами и ионами H+;

– отжиг центров P1–P3 при (400-600) C, который сопровождается восстановлением периода решетки и плотности нейтронно-облученного материала до значений, характерных для необлученного [11], и приписывается распаду дефектов кластерного типа;

– стадия отжига вблизи (700-900) C, связанная с распадом неизвестной группы дефектов в сильно облученном GaAs.

Рис. 3. Изменение концентрации свободных электронов (1) Отжиг ростовых дефектов GD3, GD5 в GaAs прак и ростовых ловушек (2–8) в исходном n-GaAs (образец 6) тически заканчивается при температурах около 900 C, при изохронном (10 мин) отжиге. Типы дефектов: 2 —GD3, что приводит к увеличению концентрации свободных 3 —GD5, 4 —GD6, 5 —GD7, 6 —TD1, 7 —TD2, 8 —P1.

электронов в исходном материале (рис. 3). Данная Кривая отжига центра P1 получена для образца, облученного температура отжига является критической, так как при потоком нейтронов D = 1016 см-2.

Tann > 900 C в GaAs идет интенсивное формирование дефектов акцепторного типа, что приводит к уменьшению подвижности электронов, коэффициента использоВ спектрах НЕСГУ облученных нейтронами образцов вания примеси Kimp (см. далее) и увеличению степени n-GaAs выявлен ряд глубоких электронных ловушек компенсации материала (образец 5, табл. 1, рис. 3).

(RD1, RD2), которые можно приписать известным цен- Это накладывает ограничение на выбор максимальных трам E2 и E3, предположительно точечным дефектам в температур термообработки при ядерном легировании подрешетке As [8], и широкая полоса (RD3) в области GaAs. В то же время в образцах, облученных большими интервала температур (230-320) K (так называемая потоками нейтронов (D = 2 · 1019 см-2), значения n U-полоса), предположительно связанная с наличием де- и µ при Tann = (900-1100) C продолжают расти, что фектов кластерного типа, поскольку она наблюдается вызвано неполным отжигом RD даже при Tann > 1100 C только при нейтронном и ионном облучениях [9]. Осо- (табл. 1). Более низкое качество ЯЛ GaAs при высоких бенность U-полосы — ее появление в спектрах НЕСГУ уровнях ядерного легирования и температурах термообGaAs только при некоторых пороговых потоках нейтро- работки обусловлено как неполным отжигом RD, так и нов, отмеченное ранее авторами [10] при исследовании распространением в материале термоакцепторов.

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.