WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 9 Оптические свойства легированных кремнием слоев GaAs (100), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии © В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, А.В. Гук, Г.Б. Галиев, В.А. Страхов, Н.Г. Яременко Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 113907 Москва, Россия (Получена 9 февраля 1998 г. Принята к печати 17 марта 1998 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции нелегированных и легированных кремнием слоев GaAs (100) при T = 77 K. Выявлено, что наряду с B-полосой, соответствующей межзонной излучательной рекомбинации, в спектрах легированных слоев наблюдается так называемая Si-полоса, расположенная вблизи h 1.4эВ, а в многослойных -легированных структурах в области h 1.47 1.48 эВ дополнительно появляется полоса, обозначенная здесь как -полоса. Изучены зависимости энергетического положения, интенсивности и формы полос фотолюминесценции от дозы легирования NSi, мощности лазерного возбуждения и температуры.

Показано, что Si-полоса обусловлена оптическими переходами между зоной проводимости и глубоким акцепторным уровнем ( 100 мэВ), связанным с атомами Si в узлах As. Установлено, что зависимости формы и интенсивности -полосы от температуры и мощности возбуждения фотолюминесценции оказались идентичными соответствующим зависимостям для B-полосы. Согласно предложенной интерпретации, проявления -полосы в спектрах фотолюминесценции связываются с эффектами размерного квантования в -легированных структурах.

Амфотерное поведение кремния, как легирующей при- дился при температуре подложек (Ts) в диапазоне меси в арсениде галлия, вызывает неослабевающий ин- 570 610C и соотношении потоков мышьяка и галлия терес исследователей этого материала. Показано (см., PAs/PGa = 1520, что соответствует оптимальным услонапример [1–8]), что и электрическая активность вневиям для формирования структурно-совершенных и стедренного кремния, и тип проводимости существенно хиометрических слоев GaAs. Это было подтверждено иззависят от методов и режимов выращивания эпитакмерениями электронной подвижности µe модуляционносиальных слоев. Особенно отчетливо это проявляется легированных гетероструктур N–AlGaAs/GaAs, в случае при молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), в случае которых µe при T = 77 K достигала максимального которой механизм встраивания атомов Si в те или иные значения (µe = 1.7·105 см2/В·с), а при отклонении от соузлы кристаллической решетки GaAs определяется кратотношения PAs/PGa = 1520 в ту или иную сторону она ностью свободных химических связей и кинетическими уменьшалась из-за генерации дефектов стехиометрии.

явлениями на поверхности роста [2–8]. Показано [2–5,7], Однородно легированные слои толщиной 0.7 1мкм что при МЛЭ росте на плоскостях (100) и (111) B и с концентрациями n = 1017, 2 · 1017, 7 · 1017 см-3 и атомы Si преимущественно ведут себя как доноры, а на 1 · 1018 см-3 выращивались после нелегированного буплоскостях (111) A, в зависимости от условий выращиваферного слоя (0.8 мкм) при Ts = 610C. -легированные ния, могут проявляться как акцепторное, так и донорное структуры выращивались при Ts = 570C. Они включали:

поведение.

нелегированный буферный слой толщиной 0.8 мкм, три Для выяснения природы электронных состояний, свя-слоя с NSi = 6 · 1012 см-2 и с расстоянием между ними занных с атомами Si и GaAs, широко используются 300, затем нелегированный слой GaAs толщиной исследования спектров фотолюминесценции (ФЛ) [2–9].

и 50 — легированный слой (N = 1.2 · 1018 см-3).

Однако предложенная в литературе интерпретация оптиПолуширина профиля легирования одного -слоя, изческих свойств не всегда является однозначной. Осомеренная методом вторично-ионной масс-спектрометрии бенно это касается участия в оптических переходах на установке IMS-4F в режиме наибольшего разрешения, акцепторных уровней, связанных с атомами Si.

Настоящая работа посвящена изучению природы опти- по глубине не превышала 80.

ческих переходов в диапазоне энергий фотонов от 1.3 Измерения спектров ФЛ выполнялись в интервале до 1.6 эВ для однородно- и -легированных кремнием температур T от 77 до 240 K в диапазоне энергий фотослоев GaAs с ориентацией (100) на основе исследования нов от 1.3 до 1.6 эВ. Для возбуждения ФЛ использовался спектров ФЛ при различных температурах и мощности Ar+-лазер с длиной волны = 514.5 нм с максимальной возбуждающего лазерного излучения.

мощностью 850 Вт/см2. Концентрация и подвижность носителей тока в исследуемых образцах определялись путем измерения коэффициента Холла.

Экспериментальная часть На рис. 1–3 приведены спектры ФЛ для нелегированного и легированных образцов, измеренные при Исследуемые слои выращивались методом МЛЭ на установке МВЕ-32Р фирмы ”Riber”. В качестве подло- T = 77 K. Из рисунков видно, что в случае нелегирожек использовались полуизолирующие пластины GaAs ванного образца наблюдается только одна полоса ФЛ с ориентацией (100). Эпитаксиальный рост прово- с максимумом при h = 1.508 эВ, соответствующая Оптические свойства легированных кремнием слоев GaAs (100), выращенных методом... Рис. 1. Спектры ФЛ нелегированных и легированных сло- Рис. 2. Спектры ФЛ для образца с тремя -легированными ев GaAs (100), измеренные при температуре T = 77 K: слоями кремния с NSi = 6 · 1012 см-2 на GaAS (100), изме1 — нелегированный образец, 2, 3, 4 — однородно легирован- ренные при различных температурах T, K: 1 — 77, 2 — 150, ные образцы с n = 2 · 1016; 2 · 1017; 7 · 1017 см-3. 3 — 255.

межзонным оптическим переходам в собственном GaAs, обозначенная здесь как B-полоса. Ее малая ширина h = 5 мэВ свидетельствует о высоком качестве выращенного слоя, а отсутствие дополнительных линий тоже свидетельствует о низкой концентрации фоновых примесей и дефектов стехиометрии. Легирование кремнием приводит к увеличению ширины B-полосы и сдвигу ее максимума в сторону больших энергий.

В Si-легированных слоях наряду с B-полосой возникает полоса ФЛ, расположенная при относительно невысоких концентрациях носителей (n 1017 см-3) около h 1.4 эВ. Измерения однородно легированных и -легированных образцов показали (см. рис. 1–3), что эта полоса ФЛ возникает только в слоях, легированных кремнием, и отсутствует в нелегированных слоях. Поэтому она обозначена здесь как Si-полоса. С увеличением дозы легирования Si-полоса, так же, как и B-полоса, уширяется, и ее максимум сдвигается к большим h.

Следует, однако, отметить, что при идентичных условиях Рис. 3. Спектры ФЛ для образца с тремя -легированными возбуждения ФЛ интенсивность Si-полосы по отношению слоями кремния на GaAs (100) при T = 77 K и различной к B-полосе в -легированных структурах всегда оказывамощности возбуждения P, Вт/см2: 1 — 33, 2 — 340, 3 — ется меньше, чем в однородно легированных образцах (интенсивность полосы B в максимуме приведена к одинаковос той же средней объемной концентрацией кремния.

му значению для всех спектров).

При этом ее низкоэнергетический край в -легированных структурах располагается при несколько больших h, чем в однородно легированных слоях.

лазерного возбуждения P. Из рис. 2 видно, что с повышеВ спектрах ФЛ -легированных слоев наряду с нием температуры происходит ослабление B-полосы, ее B- и Si-полосами наблюдается дополнительная полоса уширение и сдвиг к меньшим h. Что касается Si-полосы, h 1.475 эВ1.480 эВ (см. рис. 3), обозначенная здесь то она очень быстро ослабляется с ростом температуры как -полоса, интенсивность которой увеличивается с и, начиная с T = 150 K и выше, практически исчезает. В увеличением дозы -легирования.

На рис. 2 и 3 представлены зависимости спектров ФЛ то же время -полоса при изменении температуры ведет -легированных структур от температуры и мощности себя подобно B-полосе.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1062 В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, А.В. Гук, Г.Б. Галиев, В.А. Страхов, Н.Г. Яременко Из рис. 3 следует, что увеличение мощности лазерного электрон-фононного взаимодействия. С другой стороны, возбуждения P приводит к возрастанию интенсивности более сильное ослабление Si-полосы и ее исчезновение всех полос ФЛ, однако, скорость этого возрастания не при повышении температуры, естественно, объясняется для всех из них одинакова. Обнаружено, что для B-поло- термической ионизацией дырок с обсуждаемого здесь сы и для -полосы эти скорости равны и их спектральная акцепторного уровня.

форма и соотношение интенсивностей не изменяются с Наблюдаемые сильные различия зависимостей интенувеличением P. С другой стороны, скорость возрастания сивности ФЛ от мощности лазерного возбуждения для Si-полосы по крайней мере на порядок меньше, чем для B-полосы и Si-полосы (рис. 3) могут быть объяснены судругих полос, что при больших значениях P приводит к щественной разницей в плотности дырочных состояний, ее относительному ослаблению по сравнению с полоса- участвующих в этих оптических переходах. В первом ми B и. случае (B-полоса) мы имеем дело с собственными оптическими переходами и, соответственно, с дырками в валентной зоне, плотность которых на несколько порядков Обсуждение результатов выше, чем концентрация дырок на акцепторном уровне во втором случае (Si-полоса). Поэтому при достаточНачнем с рассмотрения зависимости спектров ФЛ от но большой плотности потока возбуждающих фотонов концентрации (или дозы) легирования NSi. Наблюдае(сравнимых и превышающих концентрацию атомов Si мые здесь, при возрастанииNSi, увеличение ширины Bв акцепторных состояниях) возрастание интенсивности полосы и сдвиг ее максимума к большим энергиям h Si-полосы должно замедляться, а затем должно наблюобусловлены донорным поведением значительной части даться насыщение, тогда как интенсивность B-полосы ФЛ атомов Si и являются, как известно, следствием проявлебудет по-прежнему возрастать.

ния 2-х эффектов:

Достаточно необычным, при сравнении с Si-полосой, - уменьшением ширины запрещенной зоны Eg за выглядит поведение -полосы, присутствующей в -легисчет слияния зоны донорных состояний с дном зоны рованных структурах. Поскольку эта полоса расположепроводимости;

на по энергии выше Si-полосы, но ниже B-полосы (т. е.

- увеличением степени заполнения зоны проводимопри h < Eg), она может быть формально приписана сти электронами и, соответственно, повышением энероптическим переходам с участием одного или нескольких гии Ферми EF.

уровней в запрещенной зоне, причем более мелких, Оба эти эффекта приводят к распространению спекчем акцепторный уровень Si. Однако в таком случае трального интервала для межзонных переходов в стороследовало бы ожидать еще более сильного ее ослабления ну меньших и больших энергий и, соответственно, к ушис температурой, чем Si-полосы, а также — эффекта нарению B-полосы. Второй из них, известный как эффект сыщения на зависимости ее интенсивности от мощности Бурштейна–Мосса, отвествен за сдвиг высокоэнергетивозбуждения ФЛ. Вместо этого поведение -полосы с ческого крыла и максимума B-полосы к большим h.

увеличением и температуры, и мощности возбуждения Как уже отмечалось, аналогичные изменения при увеФЛ оказалось идентичным поведению B-полосы и поэтоличении дозы легирования NSi происходят и с Si-полосой.

му ее, так же, как и B-полосу, следует отнести к межЭто непосредственно доказывает, что исходными состоязонным оптическим переходам. Возможно, что -полоса ниями для оптических переходов, связанных с Si-полообусловлена эффектами размерного квантования в узсой, также являются электроны в зоне проводимости, ких V-образных потенциальных ямах в -легированных а не донорный уровень, соответствующий вакансии структурах. А именно, она может быть обусловлена измышьяка, как предполагалось для полосы ФЛ вблизи лучательной рекомбинацией между электронами одной h = 1.37 эВ для слоев GaAs с ориентацией (111) A, из двумерных квантовых подзон V -образных потенциаль(211) A и (311) A [7,8]. Конечным состоянием для этих ных ям в -слоях с дырками в максимумах валентной оптических переходов, по-видимому является акцепторзоны, формируемых между -слоями. Возможно, что с ный уровень, расположенный на 100 мэВ выше потолэтими эффектами связаны также и некоторые различия ка валентной зоны. Мы полагаем, что этот глубокий в интенсивности и форме Si-полосы в -легированных уровень соответствует акцепторному поведению части структурах по сравнению с однородно-легированными атомов Si, а именно тех из них, которые занимают узлыслоями.

As в решетке GaAs. Не исключено, что эти Si-атомы могут также образовать некоторые комплексы с дефектами стехиометрии.

Заключение Представленная на рис. 2 температурная зависимость спектров ФЛ в случае B-полосы хорошо соответствует Таким образом проведенные исследования спектров описанным в литературе закономерностям для межзон- ФЛ нелегированных и легированных кремнием слоев ных оптических переходов и объясняется температурным GaAs при T = 77 K показали, что наряду с B-полосой, уменьшением ширины запрещенной зоны Eg и увели- соответствующей межзонной излучательной рекомбиначением доли безызлучательной рекомбинации за счет ции, в спектрах легированных слоев наблюдается так наФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Оптические свойства легированных кремнием слоев GaAs (100), выращенных методом... зываемая Si-полоса, расположенная вблизи h = 1.4эВ Optical properties of Si-doped GaAs при NSi 1017 см-3, а в трехслойных -легированных (100)-layers grown by molecular beam структурах в области h 1.471.48 эВ дополнительно epitaxy появляется полоса, обозначенная здесь как -полоса. В V.G. Mokerov, Ju.V. Fedorov, A.V. Huck, G.B. Galiev, результате исследования зависимости спектров ФЛ от V.A. Strakhov, N.G. Yaremenko дозы легирования NSi, мощности лазерного возбуждения и температуры установлено, что Si-полоса может Institute of Radioengineering and Electronics, быть обусловлена оптическими переходами между зоRussian Academy of Sciences, ной проводимости и глубоким акцепторным уровнем 103907 Moscow, Russia ( 100 мэВ), связанным с атомами Si в узлах As. В отличие от примесной Si-полосы зависимость -полосы

Abstract

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.