WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 10 Новый центр рекомбинации в сильно легированном цинком арсениде галлия, полученном методом жидкофазной эпитаксии © К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева, И.П. Петренко Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 12 января 1988 г. Принята к печати 17 марта 1998 г.) Исследованы фотолюминесцентные свойства слоев p-GaAs : Zn ориентации (100), выращенных методом жидкофазной эпитаксии из галлиевого и висмутового расплавов при разных температурах. Установлено, что в исследованных слоях образуется новый центр излучательной рекомбинации. Концентрация центров возрастает с повышением уровня легирования пропорционально концентрации дырок в степени 5.35 ± 0.1, причем показатель степени не зависит от металла–растворителя и температуры эпитаксии. Экспериментальные результаты объяснены в предположении, что центр является электронейтральным комплексом, в состав которого входят галлий на месте мышьяка и две вакансии мышьяка.

Введение от уровня легирования определялась методом вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) на установке Эпитаксиальные слои арсенида галлия, сильно легиLAS-3000 фирмы ”Riber”, снабженной квадрупольным рованные цинком, широко используются для изготовлемасс-спектрометром с разрешением M/M = 2.1M.

ния фотокатодов с отрицательным электронным сродДля травления образца использовались ионы O+ с энер2 ством и в базовых слоях гетеробиполярных транзисторов гией 10 кэВ. Концентрация атомов цинка определя(ГБТ) [1,2].

лась по отношению интенсивностей потоков вторичных 64 Для улучшения основных характеристик ГБТ — преионов Zn+/75As+. Результаты измерений усреднядельной частоты единичного усиления fT и максимальлись по слою размером 0.5 0.5мм2 и толщиной ной частоты генерации fmax, необходимо увеличивать 1000.

проводимость базового слоя, что достигается повышеСтационарная фотолюминесценция измерялась в дианием уровня легирования последнего. Известно однако, пазоне длин волн 0.78-1.0 мкм на установке, собранной что в p-GaAs повышение уровня легирования может на основе двойного монохроматора СДЛ-1 с решетками приводить к образованию дефектов [3], которые, явля600 штр/мм. ФЛ регистрировалась ФЭУ с фотокатодом ясь центрами рекомбинации, уменьшают время жизни S1, работающим в режиме счета фотонов. Для вознеравновесных носителей заряда, вследствие чего снибуждения ФЛ использовалось излучение Ar+-лазера с жается коэффициент передачи ГБТ, а также значения fT длиной волны 5145, плотность мощности возбуждения и fmax [1].

равнялась 30 Вт/см2.

В данной работе с целью выявления рекомбинационных центров, образующихся в GaAs при сильном леЭкспериментальные результаты гировании цинком, исследовалась фотолюминесценция (ФЛ) слоев GaAs : Zn, полученных методом жидкофазной На рис. 1 представлены измеренные при 77 K спектры эпитаксии (ЖФЭ) из расплавов галлия и висмута.

ФЛ слоев GaAs : Zn с различной концентрацией дырок, выращенных при TG = 800C из расплава галлия.

Методика эксперимента Во всех спектрах доминирует линия зона-акцепторной рекомбинации (B). На длинноволновом крыле линии Слои выращивались на подложках полуизолирующего B наблюдается плечо, которое при повышении уровня GaAs ориентации (100) в двух температурных интерлегирования проявляется все более отчетливо и в слое валах от 708 до 650C и от 800 до 750C.1 Толщина с p = 1.8 · 1019 см-3 переходит в линию гауссовой слоев составляла 10-15 мкм. Концентрация дырок (p) формы с энергией в максимуме 1.35 эВ, обозначенную при комнатной температуре, измеренная методом Ванна рисунке как линия C. Энергетическое положение дер-Пау (холл-фактор принимался равным единице), изэтой линии близко к положению линии, обусловленной менялась в пределах от 6 · 1017 см-3 до 2 · 1019 см-3 в переходами через уровни глубокого акцептора, связанслоях, выращенных из расплава галлия, и от 7·1017 см-3 ного с медью (e, Cu) [5]. Удивительно, однако, резкое до 7·1019 см-3 в слоях, выращенных из расплава висмута.

возрастание интенсивности линии C при повышении Подробности методики роста и электрические свойства уровня легирования от 7.6 · 1018 см-3 до 1.8 · 1019 см-исследуемых слоев приведены в работе [4]. Зависии отсутствие фононных повторений, характерных для мость концентрации атомов цинка в исследуемых слоях линии (e, Cu) [5].

Для идентификации линии C были измерены спектры В дальнейшем будет указываться только температура начала эпитаксии (TG). ФЛ слоя с концентрацией дырок p = 2 · 1019 см-3, в Новый центр рекомбинации в сильно легированном цинком арсениде галлия... Рис. 1. Спектры ФЛ слоев GaAs : Zn, выращенных при TG = 800C из расплава галлия. Температура измерения 77 K. Концентрация дырок в слоях равна: 1 —6.0 · 1017 см-3, Рис. 2. Спектры ФЛ слоя с p = 2 · 1019 см-3, измеренные при 2 —2.2 · 1018 см-3, 3 —7.6 · 1018 см-3, 4 —1.8 · 1019 см-3.

различных температурах.

котором эта линия отчетливо выражена, при различных температурах. Спектры приведены на рис. 2. Видно, что при повышении температуры от 300 до 190 K положение максимума линии C практически не изменяется, в отличие от положения линии (e, Cu), которое в этом температурном интервале изменяется более чем на 20 мэВ [5].

Кроме того, энергия активации гашения линии C, определенная из температурной зависимости интегральной интенсивности,2 которая приведена на рис. 3, равна 41 ± 2 мэВ, что существенно меньше значения энергии активации гашения линии (e, Cu) равной 140 мэВ [5].

Таким образом, температураня зависимость положения линии C и значение энергии активации ее температурного гашения свидетельствуют о том, что эта линия не связана с медью, а обусловлена рекомбинацией через Рис. 3. Температурная зависимость интегральной интенсивноуровни неизвестного центра, образующегся в GaAs : Zn сти линии C в слое с p =2 · 1019 см-3.

при высоких уровнях легирования, который мы обозначили как центр R.

Для вычисления интегральной интенсивности линий спектры разНа рис. 4 приведены измеренные при температулагались на составляющие линии, при этом линия C описывалась ре 77 K спектры ФЛ слоев с практически одинаковой гауссовой кривой, а форма линии B задавалась в соответствии с расчетами, приведенными в работе [6]. концентрацией дырок, выращенных из расплава галлия 3 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1186 К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева, И.П. Петренко время снижение температуры эпитаксии от TG = 800C до TG = 708C не приводит к изменениям формы спектров ФЛ слоев с одинаковым уровнем легирования, выращенных как из расплава галлия, так и из расплава висмута.

Для определения связи между интенсивностью линии C и концентрацией центров R было вычислено отношение интгеральной интенсивности линии C (IC) к интегральной интенсивности линии B (IB) при температуре 77 K, S = IC/IB, в слоях с различным уровнем легирования. При условии, что доля неравновесных носителей заряда, рекомбинирующих через уровни центров, пропорциональна их концентрации, величина S пропорциональна отношению концентраций центров рекомбинации [7,8]:

S = a(NR/NA). (1) Здесь NR и NA концентрации центров R и мелких акРис. 4. Спектры ФЛ слоев, выращеных при TG = 800C:

цепторов, a — множитель, который не может быть 1 — из расплава галлия с p = 1.8 · 1019 см-3, 2 — из расплава определен из имеющихся данных. Предполагалось, что висмута с p = 2.1 · 1019 см-3.

этот множитель не зависит от уровня легирования. Для выполнения этого условия спектры ФЛ измерялись при достаточно низкой плотности мощности возбуждения, для которой интенсивность линий ФЛ пропорциональна интенсивности возбуждения.

Зависимости величины S от концентрации дырок для слоев, выращенных из расплавов галлия и висмута при разных температурах, приведены на рис. 5. Сплошными линиями показаны аппроксимации этих зависимостей функциями вида Y = b · p. (2) Из рисунка видно, что величина S практически не зависит от концентрации дырок при низких уровнях легирования и резко возрастает с наклоном = 4.45 ± 0.1, не зависящим от условий роста слоев, когда концентрация дырок превышает некоторое критическое значение pcr, которое равно 5 · 1018 см-3 для слоев, выращенных из расплава галлия, и 1 · 1019 см-3 для слоев, выращенных из расплава висмута.3 Значение величины b также не зависит от температуры эпитаксии и равно 1 · 10-11 ± 10 и 8 · 10-13 ± 10% для слоев, выращенных из расплава галлия и висмута соответственно. Следовательно, замена металла–растворителя (галлия на висмут) приводит в слоях с концентрацией дырок, превышающей 1 · 1019 см-3, к уменьшению NR более чем на порядок Рис. 5. Зависимости относительной интегральной интенсивновеличины.

сти полосы C от концентрации дырок для слоев, выращенных из расплавов галлия (1, 2) и висмута (3, 4) при разных темпеНемонотонный характер концентрационной зависимости величины ратурах: 1, 3 — TG = 708C, 2, 4 — TG = 800C.

S обусловлен, по-видимому, присутствием в спектрах ФЛ слоев линии X, сильно перекрытой с линиями C и B, интенсивность которой возрастает при повышении уровня легирования. В слоях с уровнем легирования p < per плечо на линии B связано с линией X, а при более высоких уровнях легирования интенсивность линии C резко возрастает (p = 1.8 · 1019 см-3) и висмута (p = 2.1 · 1019 см-3) и она начинает доминировать в этой области спектра. Линией X может при TG = 800C. Видно, что интенсивность линии C быть, например, линия с энергией в максимуме 1.37 эВ, связанная с выше в слое, выращенном из расплава галлия. В то же комплексом ZnGa-VAs [9].

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Новый центр рекомбинации в сильно легированном цинком арсениде галлия... Обсуждение результатов Степенная зависимость концентрации центра R от уровня легирования свидетельствует о том, что центр имеет сложный состав и, по-видимому, является комплексом, состоящим из собственных точечных дефектов (ТД), концентрация которых, как известно, увеличивается с уровнем легирования [11]. В состав подобных комплексов могут входить также и атомы легирующей примеси [12], однако в исследуемых слоях концентрация дырок линейно зависит от концентрации атомов цинка во всем изученном диапазоне легирования и этот факт свидетельствует о том, что атомы примеси образуют простые акцепторы замещения и не входят в состав комплекса, ответственного за центр R.

Для определения возможного состава центра R были проанализированы данные по изменению концентрации центров R в зависимости от температуры роста, уровня легирования, металла–растворителя и данные электрических измерений в исследуемых слоях GaAs : Zn, приведенные в работе [4].

1) Концентрация центров R не зависит от температуры роста. Это значит, что концентрация этих центров не пропорциональна равновесным концентрациям ТД при температурах роста, что возможно, если центры образуются не в процессе эпитаксии, а при охлаждении Рис. 6. Отношения потоков ионов цинка и мышьяка в слоях слоев [11].

с различным уровнем легирования, выращенных из расплава 2) Концентрация центров R меньше в слоях, выращенвисмута при TG = 800C.

ных из расплава висмута. Это позволяет предполагать, что в его состав входят точечные дефекты, концентрация которых уменьшается при замене галлиевого расплава Используя (1) и (2), можно получить функциональную висмутовым. Таким дефектами могут быть вакансии мызависимость концентрации центров R от уровня легирошьяка (VAs) [13], межузельный галлий (GaI) иантиструквания в слоях с p > pcr:

турный дефект — галлий на месте мышьяка (GaAs).

3) Степень компенсации исследованных слоев NR =(NA · S)/a (b/a)NA · p. (3) GaAs : Zn c уровнем легирования, лежащим в пределах от 5·1017 см-3 до 8·1019 см-3, не зависит от того, из какого На рис. 6 приведены полученные методом ВИМС расплава, галлиевого или висмутового, был выращен значения отношения потоков ионизированных атомов образец [4]. В то же время концентрация центров цинка и мышьяка, которые пропорциональны конценR в слоях с уровнем легирования, превышающим трации атомов цинка (NZn) [10], в слоях с различными 1 · 1019 см-3, существенным образом зависит от уровнем легирования, выращенных из расплава висмута использованного при росте слоя металла–растворителя.

при TG = 800C. Видно, что в пределах точности опредеЭтот факт позволяет предположить, что центр R — ления NZn концентрация дырок линейно возрастает при нейтральное образование, т. е. в его состав должны увеличении концентрации атомов цинка, следовательно, входить как ТД, являющиеся донорами, так и ТД, можно считать, что являющиеся акцепторами. Это крайне удивительно, поскольку принято считать, что при повышении уровня p NZn NA, легирования в слоях p-типа проводимости повышается концентрация ТД доноров и понижается концентрация и записать (3) в виде ТД акцепторов [11].

Следующая схема образования электронейтрального NR (b/a)p+1 (b/a)(NZn)+1. (5) комплекса позволяет объяснить все выше приведенные экспериментальные данные.

Принимая во внимание значение = 4.35, получаем, В процессе эпитаксии цинк встраивается в GaAs в что в слоях с p > pcr, выращенных из расплавов как двух формах: как акцептор замещения Zn-1 и как мегаллия, так и висмута, концентрация центров R при Ga использованных в работе температурах роста возрастает жузельный донор Zn+1 [14]. При охлаждении слоев I пропорционально концентрации дырок в степени 5.35. атомы цинка, находящиеся в межузлиях, встраиваются на 3 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1188 К.С. Журавлев, Т.С. Шамирзаев, Н.А. Якушева, И.П. Петренко место атомов Ga, выдавливая последние в междоузлия,4 Заключение по хорошо известной из теории диффузии Zn в GaAs Таким образом, в настоящей работе установлено, что в реакции [15,16]:

GaAs : Zn, полученном методом ЖФЭ, образуется центр излучательной рекомбинации, проявляющейся в спекZn+1 Ga+2 + Zn-1. (6) I I Ga трах ФЛ слоев с уровнем легирования p > 5 · 1018 см-и p > 1 · 1019 см-3 для слоев, выращенных из расплавов Образовавшимся в результате этой реакции межузельгаллия и висмута соответственно. С повышением уровня ным атомам галлия Ga+2 энергетически выгодно5 взаI +легирования концентрация центров возрастает пропоримодействовать с вакансией мышьяка VAs с образовационально концентрации дырок в степени 5.35 ± 0.1, нием антиструктурного дефекта Ga-2, который в свою As причем показатель степени в пределах TG = 800 708C очередь, взаимодействуя с двумя вакансиями мышьяка, не зависит от температуры эпитаксии. Замена галлиевого образует нейтральный комплекс (GaAs-2VAs)x:

расплава висмутовым приводит к уменьшению концен+1 трации центров более чем на порядок величины. ЭксGa+2 + VAs Ga-2 + 5h, (7) I As периментальные результаты объяснены в предположени, что центр является электронейтральным комплексом, в +Ga-2 + 2VAs (GaAs - 2VAs)x, As состав которого входят антиструктурный дефект галлий на месте мышьяка и две вакансии мышьяка.

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.