WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Изменение структурных и электрофизических свойств нелегированных монокристаллов InAs инфракрасным лазерным облучением © С.В. Пляцко, В.П. Кладько Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина (Получена 12 мая 1996 г. Принята к печати 18 марта 1997 г.) Установлено значительное изменение электрофизических свойств и структурных характеристик монокристаллов InAs при воздействии инфракрасного лазерного излучения с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны InAs, и плотностью мощности лазерного излучения W < 50 Вт/см2. Эти изменения связаны с преобразованием и перераспределением собственных точечных дефектов в поле электромагнитной волны лазерного излучения.

Введение за счет диффузной компоненты рассеяния на искажениях для рефлекса (333) по формуле [4] Одним из эффективных методов управления свойствами полупроводников является метод лазерной обработRie =(1 -0)RD +0RK, (2) ки, использование которого позволяет в зависимости от соотношения величины кванта лазерного излучения где Rie, RD, RK — интегральные интенсивности: экспе и ширины запрещенной зоны Eg трансформировать риментальная, а также рассчитанная по динамической и его приповерхностные ( > Eg) [1] или объемные кинематической моделям рассеяния соответственно.

( < Eg) [2] свойства. Однако, несмотря на много- Исследовались нелегированные монокристаллы InAs.

численные исследования, механизм взаимодействия ла- Вырезанные из одной шайбы образцы шлифовались, зерного излучения с кристаллами до настоящего вре- после чего химически полировались для удаления нарумени не получил исчерпывающего объяснения. Поэто- шенного слоя. Исследуемые кристаллы были близки к му цель настоящей работы — исследование лазерно- стехиометрическому составу с незначительным отклонестимулированных (

сти гомогенности и узкой шириной запрещенной зоны.

Результаты и их обсуждение Методика эксперимента Исследованные образцы, вырезанные из одной пластиВ качестве источника облучения использовался ны, имели различный тип проводимости при температуре CO2-лазер непрерывного действия ( = 0.118 эВ).

77 K. Концентрация носителей в образцах электронного Кинетические коэффициенты измерялись по стандартной типа практически не зависит от температуры вплоть до методике. Стехиометрия образцов контролировалась с области собственной проводимости. В области низких помощью рентгенодифракцинных методов с использотемператур концентрация носителей тока, по-видимому, ванием квазизапрещенных отражений [3]. Этот метод определяется собственными дефектами, имеющими элекявляется чувствительным к изменению стехиометрии троактивный характер, уровни залегания которых наобразцов и при точности измерения интегральной интенходятся глубоко в зоне проводимости и поэтому не сивности дифрагированных рентгеновских лучей 0.3% проявляются в температурных зависимостях постоянной позволяет контролировать изменение состава на уровне 1017 см-3. Изменение интегральной интенсивности R1 Холла RH и проводимости. Образцы 2-го типа с проводимостью при 77 K 77 = 2.5 · 10-1 Ом-1см-связано с изменением концентрации ci формулой имеют зависимость RH(T ), характерную для образцов с дырочным типом проводимости: с повышением Ri/Ri = k(cIn - cAs), (1) температуры происходит инверсия типа проводимости (T = 240250 K). В электронной области проводимости где константа k зависит от типа отражения и вида поведение коэффициента Холла RH(T ) такое же, как и в излучения. Расчеты показывают, что при использовании 1-м случае.

CuK1-излучения и отражения (222) можно определять отклонение cIn - cAs на уровне 1.2 · 10-4. Изменение После этого образцы подвергались лазерному облуотносительной объемной доли искаженной решетки 0 чению ( = 0.118 эВ, Eg = 0.35 эВ, < Eg).

определялось по приросту интегральной интенсивности При небольшой мощности (W1 = 10 Вт/см2) излучения Изменение структурных и электрофизических свойств нелегированных монокристаллов InAs... Накопление дозы облучения (W2 = const) приводит к уменьшению Ri ниже уровня, отвечающего стехиометрическому значению (избыток As).

В кристаллах дырочного типа проводимости небольшая мощность W1 = 15 Вт/см2 не вызывает заметных изменений при комнатной температуре, а при 77 K концентрация дырок сначала возрастает со временем облучения и имеет тенденцию к насыщению (рис. 3).

С увеличением мощности излучения (W1 < W2) за время t = 30 мин происходит резкий рост концентраРис. 1. Зависимость отношения значений коэффициента Холла ции дырок с последующим уменьшением со временем RL/R0 от времени ИК облучения образцов InAs с избытком In.

облучения. Очередное увеличение плотности мощности R0 — коэффициент Холла для необлученного образца.

до W2 = 25 Вт/см2 переводит образцы в состояние с электронным типом проводимости и аномально высокой подвижностью носителей при 77 K µ77 = 6 · 105 см2/В · с (рис. 4). Однако это состояние оказалось нестабильным.

На протяжении 2-х суток образцы возвращались в состояние с p-типом проводимостью. Продолжение облучения с той же плотностью мощности уменьшает концентрацию дырок, а через некоторое время кристаллы переходят в состояние с n-типа проводимостью во всем исследуемом интервале температур. При этом концентрация носителей с характерной температурной зависимостью близка к концентрации электронов в кристаллах n-типа проводимости в исходном состоянии (до облучения).

После этого перехода кристаллы являются стабильными и с увеличением времени облучения при W = const практически никаких изменений в концентрации электронов и их подвижности не происходит. Однако с увеличением мощности до W3 = 40 В/см2 концентрация носителей как при 77 K, так и при 300 K снова возрастет, как и в кристаллах изначально n-типа проводимости (рис. 1, t = 5.5ч и рис. 3, t = 9ч), но при больших значениях Рис. 2. Зависимость интегральной отражательной способности Ri квазизапрещенного отражения (222) от времени облучения для образцов InAs: 1 — с избытком In, 2 — с избытком As.

концентрация электронов в 1-м типе образцов незначительно уменьшается со временем облучения. Увеличение мощности до W2 = 20 Вт/см2 вызывает заметный рост концентрации носителей тока за меньшее время экспозиции, чем при W1. Дальнейшее облучение при тех же условиях приводит к монотонному понижению концентрации электронов до уровня ниже исходной (рис. 1).

Подвижность носителей при T = 77 K на протяжении всего времени взаимодействия кристаллов с лазерным излучением возрастала и превысила исходную в 2 раза.

Рентгеновские исследования свидетельствуют о том, что распределение атомов In и As в решетке при этом также изменяется. Сначала интегральная интенсивность Ri уменьшается по отношению к исходному значению, Рис. 3. Зависимость концентрации носителей тока от времени отвечающему избытку атомов In, почти до стехиометриоблучения для образцов InAs с избытком As при температуре ческого значения (рис. 2), а с увеличением мощности T, K: 1 — 300, 2 — 77. Мощности облучения, Вт/см2: W1 = 15, W2 наблюдается рост Ri до значения выше исходного.

W2 = 25, W3 = 40, W4 = 4.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1208 С.В. Пляцко, В.П. Кладько плотности мощности лазерного излучения, чем на дозу, что и наблюдается в эксперименте.

Такой же механизм лазерно-стимулированного перераспределения дефектов характерен и для образцов с избытком As. Особенности в зависимости RH(T ), которые наблюдаются только в случае совместного действия внешнего электрического поля и лазерного излучения (рис. 5) для InAs, являются необычными и могут быть связаны с резонансным уровнем в зоне проводимости, который отдает электроны в зону проводимости с понижением температуры. Из анализа RH(T ) было рассчитано положение этого уровня в предположении, что донорный уровень формируется волновыми функциями s-типа Ed(T ) =Ed(0) -T, где Ed(0) = (0.057 ± 0.005) эВ, = (2.0 ± 0.2) 10-4 эВ/K.

Как уже упоминалось, во время облучения для кристалла с избытком As характерной является область n-типа проводимости с аномально высоким значением подвижности (рис. 4). В кристаллах с избытком In такое состояние не наблюдается. Как видно из рис. 4, подвижность электронов в исходных образцах не очень высокая, поскольку в наиболее совершенных кристаллах InAs, выращенных методом Чохральского, подвижность в области азотных температур достигает значения µ77 = 5 · 104 см/(В · с). Естественно, что чем больше Рис. 4. Температурные зависимости подвижности электронов в кристаллах InAs. 1 — расчет для случая рассеяния на колеба- концентрация скоплений собственных компонент или ниях решетки [5]. Эксперимент на кристаллах: 2 —исходном примесей, тем ниже подвижность электронов [8,9]. На с избытком In, 3–5 — с избытком As. Измерения в областях рис. 6 приведена зависимость относительной объемной n-типа: 3 — неустойчивой, 4 — устойчивой; 5 — при совместдоли искажений в решетке от времени облучения. Как ном действии полей: постоянного электрического и лазерной следует из рисунка, со временем облучения величина волны.

W и времени облучения. После этого мощность была значительно снижена до W4 = 4Вт/см2 и к образцу было приложено постоянное электрическое поле E < 0.1В/см параллельно направлению электрического вектора лазерной волны. Как было показано в работе [6], в этом случае лазерно-стимулированные изменения в решетке происходят значительно быстрее, и кроме того, с увеличением времени совместного действия полей в кристаллах наблюдается направленная миграция собственных и примесных компонент. В InAs при таком воздействии концентрация электронов начинает падать (рис. 5).

Результаты этих экспериментов можно объяснить, если исходить из того, что происходящие изменения в кристалле не являются тепловыми, а связаны со стиму- Рис. 5. Температурные зависимости концентрации носителей тока для образцов InAs: 1 — образец InAs с избытком In после лированными лазерными облучением преобразованиями облучения в течение 13 ч. 2 — образец InAs с избытком As в в системе собственных точечных дефектов.

устойчивой электронной области проводимости перед совместКак и в других полупроводниковых соединениях ным действием электрического поля и лазерного излучения GaAs, PbSnTe, PbSnSe [6,7], так и в InAs лазерно(9 ч 30 мин), 3 — образец InAs с избытком As в устойчивой стимулированные преобразования происходят в обеих электронной области проводимости при совместном действии подрешетках, но с разной скоростью. Обычно металличеэлектрического поля и поля лазерной волны (сплошная криская компонента более активно реагирует на изменение вая — теоретически рассчитанная).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Изменение структурных и электрофизических свойств нелегированных монокристаллов InAs... электронов сопровождается снижением подвижности.

Однако характер температурной зависимости остается практически без изменений. Особенно необходимо отметить изменение зависимости µ(T ) во всей области температур при совместном воздействии лазерного излучения с плотностью мощности, уменьшенной на порядок, и слабого электрического поля (рис. 4, кривая 5) — подвижность растет с температурой, достигает максимума и потом падает. Это свидетельствует об изменении Рис. 6. Изменение относительной объемной доли искаженной механизмов рассеяния не только в области низких темрешетки со временем облучения для образцов InAs с избытком ператур T < 130 K, но и при более высоких темпераIn.

турах 130 < T < 400 K. Зависимость µ(T ) в области температур T < 130 K определяется преимущественно рассеянием на ионизованных примесях, которые генеримонотонно уменьшается, что свидетельствует об уменьруются совместным действием лазерного излучения и шении объемной доли крупномасштабных неоднородновнешнего электрического поля. Его вклад возрастает с стей в кристаллах. Этот результат согласуется с данными увеличением дозы облучения, что хорошо согласуется с по измерению стехиометрии (рассасывание коагулятов зависимостью концентрации носителей от дозы в этом собственых компонентов при облучении приводит к изже интервале. К таким центрам, как вытекает из анализа менению соотношения атомов в решетке), а также с поRH(T ) и интенсивностей квазизапрещенных отражений, ведением подвижности носителей тока в процессе облуна наш взгляд, принадлежат атомы As в междоузлиях чения, которая увеличивается по отношению к исходным своих плоскостей.

образцам с увеличением дозы облучения. Но следует отметить, что этот механизм рассеяния вряд ли является доминирующим в нестабильной фазе электронной Заключение проводимости, где при довольно высокой доле объемных искажений подвижность при T = 77 K достигает в проТаким образом, воздействие лазерного излучения с цессе облучения значений, практически ограниченных < Eg и плотностью мощности, значительно ниже теоретическим пределом для рассеяния на колебаниях пороговой плотности, необходимой для теплового разрешетки (рис. 4, кривая 1). Примечательно, что при рушения кристалла, позволяет изменять электрофизичеNI n77 = 2·1016 см-3 подвижность (с учетом рассеяния ские и структурные свойства InAs благодаря перераспрена ионизованных примесях и колебаниях решетки) не делению собственных электронейтральных компонент в должна превышать µ77 = 7.5 · 104 см2/(В · с), NI — поле лазерной волны.

концентрация ионизованных примесей. В эксперименте подвижность выше этого значения почти на порядок.

Возможной причиной такого поведения µ(T ) может Список литературы быть упорядочение совокупности заряженных рассеи[1] П.К. Кашкаров, В.И. Петров, Д.В. Птицын. ФТП, 23, вающих центров под действием лазерного излучения (1989).

вследствие их кулоновского отталкивания и образова[2] F.F. Sizov, S.V. Plyatsko. J. Cryst. Growth, 92, 571 (1988).

ние коррелированно расположенной системы точечных [3] I. Fujimoto. Jap. J. Appl. Phys., 23, 287 (1984).

дефектов со смешанной валентностью [10]. Для реа[4] В.В. Лидер, Ф.Н. Чуховский, В.Н. Рожанский. ФТТ, 19, лизации упорядочения рассеивающих центров их кон1231 (1977).

центрация должна быть не ниже 5 · 1018 см-3, что в [5] D.L. Rode. Phys. Rev. B, 3, 3287 (1971).

компенсированных полупроводниках с низкими энери[6] Yu.S. Gromovoj, S.V. Plyatsko, F.F. Sizov, L.A. Korovina. J.

гиями образования точечных дефектов, к которым отPhys.: Condens. Matter., 2, 10 391 (1990).

носятся соединения AIIIBV, вполне возможно. Еще раз [7] В.П. Кладько, С.В. Пляцко. Письма ЖТФ, 22, 32 (1996).

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.