WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 9 Образование и пассивация дефектов в гетероструктурах с напряженными квантовыми ямами GaAs/InGaAs при обработке в водородной плазме © И.А. Карпович, А.В. Аншон, Д.О. Филатов Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 17 ноябра 1997 г. Принята к печати 19 января 1998 г.) Исследовано влияние на спектры фотолюминесценции и конденсаторной фотоэдс гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/InGaAs обработки структур в водородной плазме высокочастотного тлеющего разряда.

Показано, что напряженные квантово-размерные гетерослои задерживают диффузию водорода и дефектов в объем, что приводит к существенному различию пространственного распределения и процессов образования рекомбинационно активных и пассивированных водорододефектных комплексов в гетероструктурах и в однородных слоях.

Явление пассивации электрически и фотоактивных ющих подложках (001) GaAs. Основные исследования дефектов и примесей атомерным водородом относи- проведены на ГКЯ с тремя встроенными в приповерхтельно хорошо изучено в однородных полупроводниках ностной области КЯ In0.27Ga0.73As, ширина которых (Si, GaAs, InP и др.) [1,2,3] и в меньшей степени — в уменьшалась при удалении от поверхности и составлянеоднородных структурах, в частности в гетерострукту- ла 11, 4.8 и 1.9 нм. Толщина покровного барьерного слоя рах с квантовыми ямами (ГКЯ). Действие водорода в GaAs — 11 нм, барьерных слоев между ямами — 34 нм, этих структурах имеет свои особенности, связанные с всей структуры — 1 мкм. Толщина контрольного слоя влиянием гетерограниц и полей упругих напряжений на GaAs, который подвергался гидрированию одновременно процессы миграции и комплекcообразования водорода с ГКЯ, — 2.5 мкм. ГКЯ и слой специально не легироваи дефектов, которые обычно порождает гидрирование лись. Концентрация электронов в них n0 1 · 1016 см-3, структур.

подвижность электронов — 4.5 · 103 см2/В · с.

Гидрирование гетероструктур AlGaAs/GaAs со сла- Высокачастотный тлеющий разряд в водороде возбубонапряженными квантовыми ямами (КЯ) приводит к ждался в кварцевой трубе с внешними кольцевыми элекувеличению интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) тродами при давлении водорода 0.1 мм.рт.ст., напряжении в КЯ[4,5], что объясняется пассивацией водородом цен- 5 МГц. Образцы помещались одновременно в темное тров безызлучательной рекомбинации на гетерограницах пространство разряда (ТПР), возникавшее вблизи элекструктуры. Однако в гетероструктурах GaAs/InGaAs с тродов, и в светящееся пространство разряда (СПР) в напряженными КЯ эффект пассивации выражен значи- центральной части межэлектродного промежутка. В пертельно слабее, или наблюдается гашение ФЛ в КЯ [4,6] вом случае они подвергались бомбардировке протонами, и появление полос примесной ФЛ [4]. Причины раз- максимальная энергия которых могла достигать нескольличного действия водорода в этих ГКЯ еще не совсем ких кэВ. При обработке в СПР, где падение потенциала ясны. Одна из них может быть связана со способнонезначительно, этим явлением можно пренебречь.

стью напряженных гетерослоев задерживать диффузию Методика исследования спектров ФЛ и КФЭ описана дефектов и примесей [7]. При этом в зависимости от в [8,9]. Спктры ФЛ измерялись при 77 K, спектры знака напряжений, создаваемых дефектами и примесями КФЭ — при 300 K.

в материале КЯ, они должны накапливаться в материале барьера или КЯ.

2. Экспериментальные результаты Для выяснения роли этого явления в процессах мии обсуждение грации и комплексообразования водорода и дефектов в ГКЯ в данной работе проведено сравнительное изучение 2.1. Влияние гидрирования на спектры влияние гидрирование на спектры ФЛ и конденсаторной фотолюминесценции фотоэдс (КФЭ) ГКЯ GaAs/InGaAs и однородных слоев GaAs. Гидрирование производилось путем обработки На спектре ФЛ ГКЯ (рис. 1, кривая 1) видны три пика образцов в водородной плазме высокочастотного тлеюФЛ квантовых ям и пик краевой ФЛ GaAs при энергии щего разряда.

квантов hm 1.5 эВ. Сильное уменьшение высоты пиков IPL(hm) с уменьшением ширины КЯ в основном определяется увеличением вероятности термоэмиссии 1. Методика эксперимента неравновесных носителей из более узких ям [8].

Гетероструктуры GaAs/InGaAs и слои GaAs получены После обработки ГКЯ в ТПР в течение 100 с при 300 K методом газофазной эпитаксии из металлорганических (в процессе обработки температура образцов могла посоединений при атмосферном давлении на полуизолиру- вышаться на 100 при максимальной длительности 5 1090 И.А. Карпович, А.В. Аншон, Д.О. Филатов ФЛ в других КЯ и в GaAs (кривая 2). При оптимальной длительности обработки (800 с) интенсивность ФЛ второй КЯ увеличиалсь в 30 раз, в третьей КЯ — в 3 раза и в GaAs — в 1.5 раза. Таким образом, в ГКЯ GaAs/InGaAs также возможна эффективная водородная пассивация дефектов, но она проявляется в квантовых ямах, расположенных за первой КЯ.

На спектре ФЛ слоя GaAs (рис. 2, кривая 1) кроме сдвоенного пика краевой ФЛ, обусловленного рекомбинацией свободных и связанных на примеси углерода экситонов, наблюдается также слабый пик примесной ФЛ D1 (hm 1.43 эВ) на центрах неизвестной природы.

После обработки в ТПР высота этих пиков несколько уменьшилась и, как и после обработки ГКЯ, появился новый пик примесной ФЛ D3 (кривая 3). Однако он расположен в другом месте (hm 1.39 эВ) и его интенсивность в максимуме была почти на 2 порядка Рис. 1. Влияние обработки ГКЯ в водородной плазме на меньше интенсивности пика D1 в ГКЯ, т. е. в одинаковых спектр фотолюминесценции. 1 —до обработки, 2 —обработка условиях обработки в ГКЯ и в однородном слое образув СПР (515 K, 1000 с), 3 —обработка в ТПР (300 K, 100 с).

ются центры излучательной рекомбинации разного типа.

Интересно, что в работе [4] пик с hm 1.39 эВ наблюдался и в ГКЯ после гидрирования структуры при низких дозах и при повышенной температуре (550 K).

В однородном слое значительно сильнее, чем в ГКЯ, проявляется эффект усиления краевой ФЛ при обработке в СПР (кривые 1,2). После такой обработки полностью исчез пик D2.

Рис. 2. Влияние обработки однородного слоя GaAs в водородной плазме на спектр фотолюминесценции. 1 —до обработки, 2 — обработка в СПР (515 K, 1000 с), 3 — обработка в ТПР (300 K, 100 с).

обработки 103 с) произошло почти полное гашение ФЛ в первой КЯ и относительно слабое гашение в других ямах и в GaAs (кривая 3). При этом появляется новый широкий пик примесной ФЛ D1 (hm 1.2эВ).

Появление подобного пика ФЛ (hm 1.28 эВ) отмечено в [4] при больших длительностях гидрирования.

Рис. 3. Влияние длительности обработки в СПР на интенсивАналогичная обработка ГКЯ в СПР практически не ность фотолюминесценции ГКЯ. Температура обработки, K:

повлияла на спектр ФЛ. Однако при нагреве образца 1, 4, 5 — 300, 2, 3, 6 — 515. h = hm, эВ: 1, 2 — 1.335, до 515 K обработка в СПР также приводила к сильному 3, 4 — 1.42, 5, 6 — 1.47. Штриховые прямые показывают гашению ФЛ в первой КЯ, но при этом усиливалась интенсивность ФЛ до обработки.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Образование и пассивация дефектов в гетероструктурах с напряженными квантовыми ямами... чала в первой КЯ (кривая 1), а при t > 200 с — и во второй КЯ (кривая 2). Пассивирующее действие водорода в этих условиях в явном виде не проявляется.

2.2. Влияние гидрирования на спектры фоточувствительности Сильное влияние напряженных гетерослоев на миграцию и комплексообразование водорода и дефектов в ГКЯ подтверждают и исследования спектров фоточувствительности Sph(h). При исследовании процессов дефектообразования удобной спектральной характеристикой является нормированная фоточувствительность S(h) = Sph(h)/S0, где S0 — фоточувствительность в области собственного поглощения, так как значения S в области поглощения КЯ SW и примесей SD практически не зависят от состояния поверхности (изгиба зон) и определяются в основном коэффициентами оптического поглощения КЯ и примесей [8].

На спектре нормированной фоточувствительности ГКЯ при 300 K (рис. 5, кривая 2) видна полоса фоточувствительности от КЯ при 1.23 < h <1.4 эВ, имеющая некоторую структуру. Края полос фоточувствительности Рис. 4. Влияние длительности обработки в ТПР на интенсивотдельных ям (отмечены стрелками) соответствуют пиность фотолюминесценции ГКЯ. h = hm, эВ: 1 — 1.335, 2 — 1.42, 3 — 1.47, 4 — 1.505. кам ФЛ при 77 K с температурным сдвигом на 80 мэВ.

Для первой КЯSW1(1.27 эВ) 6 · 10-2.

Обработка ГКЯ в ТПР приводила к появлению полосы примесной фоточувствительности при h >1.0эВ (криНа рис. 3 и 4 показаны зависимости интенсивности вая 1). Компьютерный анализ этой полосы с испольФЛ IPL(hm) в ГКЯ от длительности обработки в СПР и зованием формулы Луковского [11] для спектральной ТПР соответственно. Заметим, что в этом эксперименте зависимости оптического сечения захвата примесного каждый образец обрабатывали только при одной длительцентра показал, что она может быть разложена на три ности, чтобы исключить влияние прерывания процесса полосы для моноэнергетических центров с близкими знаобработки на временные зависимости.

Обработка в СПР при 300 K после небольшого начального спада вызывает сначала увеличение интенсивности ФЛ в 2 3 раза (рис. 3, кривые 1,4,5), а затем падение, которое наиболее сильно выражено для первой КЯ (кривая 1). Примерно одинаковое для всех КЯ относительное изменение IPL скорее всего отражает изменение скорости поверхностной рекомбинации, эквивалентное изменению интенсивности фотовозбуждения, и только при t 103 с становится заметным образование и накопление дефектов в районе первой КЯ (кривая 1).

Этот процесс явно доминирует уже при малых временах обработки при 515 K (кривая 2). При этом в районе второй КЯ начинает проявляться нарастающий при увеличении длительности обработки процесс пассивации дефектов (кривая 3). При t > 100 с он становится заметным и для третьей КЯ (кривая 6). Однако при временах обработки 103 с происходит катастрофическая деградация структуры, по-видимому, обусловленная кластеризацией водородных комплексов [10].

При обработке в ТПР (рис. 4) на общее монотонное Рис. 5. Влияние обработки ГКЯ и однородного слоя GaAs в уменьшение интенсивности всех пиков (кривые 2,3,4), водородной плазме на спектр КФЭ. 1 — однородный слой до обусловленное, по-видимому, деградацией поверхности, и после обработок, 2 — ГКЯ до обработки, 3 —ГКЯ после накладывается образование и накопление дефектов сна- обработки в ТПР (300 K, 100 с).

5 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1092 И.А. Карпович, А.В. Аншон, Д.О. Филатов чениями энергии ионизации ED = 0.98, 1.10 и 1.17 эВ и фоточувствительности SD(1.27 эВ) =1.2·10-2, 1.6·10-и 9 · 10-3 соответственно. Суммарная примесная фоточувствительность SD соизмерима с SW1. С этими центрами (или с одним из них, 1.1 эВ), очевидно, связана широкая полоса примесной ФЛ D1.

Даже при полном гашении ФЛ в первой КЯ величина SW1 практически не изменилась (кривая 1), исчез только экситонный пик фоточувствительности, заметный на кривой 2. В связи с перекрытием полос фоточувствительности SD(h) и SW (h) кривая 1 идет выше кривой 2.

Низкая чувствительность SW к дефектам характерна для КФЭ [8].

Обработка ГКЯ в СПР, а также обработка слоя GaAs в СПР и ТПР (кривая 3) не оказывают заметного влияния на спектр нормированной фоточувствительности, хотя абсолютное значение фоточувствительности изменялось Рис. 6. Зависимость интенсивности фотолюминесценции при обработке из-за изменения состояния поверхности.

(77 K) от толщины стравленного слоя: 1 — однородный слой после обработки в СПР (hm = 1.505 эВ), 2 — однородный слой после обработки в ТПР (hm = 1.39 эВ), 3 —ГКЯпосле 2.3. Локализация водорододефектных обработки в ТПР (hm = 1.2эВ). Стрелка показывает великомплексов чину эффекта усиления ФЛ после обработки. Заштрихованные прямоугольники показывают положение КЯ.

Измерения спектров ФЛ на малоугловых косых шлифах, полученных химическим травлением структур, позволили определить глубину образования пассивированных и рекомбинационно-активных (D1 и D3) водорододеконкурирующий канал быстрой безызлучательной рекомфектных комплексов.

бинации. Водород и дефекты в ГКЯ практически полноВ слое GaAs прирост интенсивности краевой ФЛ постью задерживаются первой и второй КЯ. Относительно сле обработки в СПР (рис. 6, кривая 1) и интенсивность небольшое и примерно одинаковое гашение пиков ФЛ наведенного обработкой в ТПР пика D3 (кривая 2) второй и третьей КЯ, а также в GaAs (рис. 1, кривая 3) уменьшаются в e раз при глубине травления h 103 нм, можно объяснить увеличением скорости рекомбинации которая характеризует эффективную длину свободной в приповерхностном слое. В условиях ограниченной диффузии водорода в этих условиях. Она согласуется диффузии возникает высокая концентрация первичных с диффузионными профилями дейтерия (при близких дефектов и водорода, что инициирует в ГКЯ другие по температурах обработки), полученными методом масс- сравнению с однородными слоями реакции комплексоспектрометрии вторичных ионов (SIMS) на дейтери- образования, приводящее, в частности, к образованию рованных монокристаллах GaAs [12]. На этой длине центров D1.

водород пассивирует фоновые центры безызлучательной По отношению SD(1.27 эВ)/SW 1(1.27 эВ) можно оцеи излучательной (D2) рекомбинации, что приводит к нить приведенную к поверхностной концентрацию цензначительному усилению краевой ФЛ слоев после обтром свечения NS(D1) [13]. Если центры D1 отождеработки в СПР. В образовнии центров D3, по-видимому, ствить с одним из центров примесной фоточувствиучаствуют дефекты, скорее всего вакансии, которые гетельности (1.1 эВ), принять оптическое сечение захвата нерируются при протонной бомбардировке поверхности центров 1 · 10-16 см-2 и коэффициент поглощения КЯ и диффундируют в объем вместе с водородом. Усиление 7 · 10-3 [14], то NS(D1) 2 · 1013 см-2. Если все три ценрекомбинационной активности поверхности и объема в тра примесной фоточувствительности являются центраэтом случае превалирует над пассивирующим действием ми свечения, то это значение нужно увеличить в 2.5 раза.

водорода.

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.