WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 11 Влияние кристаллографической ориентации поверхности роста при молекулярно-лучевой эпитаксии на оптические свойства легированных кремнием слоев арсенида галлия © В.Г. Мокеров, Г.Б. Галиев, Ю.В. Слепнев, Ю.В. Хабаров Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия (Получена 1 декабря 1997 г. Принята к печати 20 мая 1998 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции (ФЛ) слоев GaAs (100), (111)Aи(111)B, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии при различных соотношениях парциальных давлений PAs4/PGa =. В зависимости от кристаллографической ориентации и величины в спектрах ФЛ этих слоев наблюдаются либо две (B-Si-полосы), либо одна B-полоса ФЛ. B-полоса соответствует межзонной излучательной рекомбинации (e h), а Si-полоса была приписана оптическим переходам между зоной проводимости и акцепторными состояниями Si (e A). Обнаруженные вариации формы спектра ФЛ, величины и типа проводимости исследуемых слоев в зависимости от их ориентации и величины интерпретированы, исходя из изменений концентрации акцепторов Si, их энергетического спектра, а также изменения соотношения концентраций донорных и акцепторных состояний Si. Представленные результаты анализируются в рамках кинетического подхода, базирующегося на различии кратности (энергии) свободных химических связей на различных поверхностях с учетом влияния плотностей молекулярных потоков.

1. Введение ориентации ростовой поверхности и величины. Представленные результаты анализируются в рамках кинетиИсследования легированных кремнием слоев GaAs, ческого подхода, основанного на различии кратности свовыращиваемых методом молекулярно-лучевой эпитакбодных химических связей на поверхностях различной сии (МЛЭ) на различным образом ориентированных ориентации и учете величины.

поверхностях роста, продемонстрировали важность кинетических явлений при формировании и легировании 2. Экспериментальная часть этих слоев [1–4]. Это проявляется в чрезвычайном разнообразии их электрических и оптических свойств Исследуемые слои GaAs, легированные кремнием, в зависимости от ориентации ростовой поверхности и выращивались методом МЛЭ на полуизолирующих подусловий выращивания: соотношения молекулярных положках GaAs с ориентациями (100), (111)A и (111)B токов и температуры роста (Tg) [1–3]. Однако привопри различных соотношениях парциальных давлений димые различными авторами результаты исследований (от 10 до 77) температуре роста Tg = 600C. Величина спектров фотолюминесценции (ФЛ) и их интерпретация, изменялась путем вариации давления As4, тогда как дана наш взгляд, недостаточно однозначны [2]. В особенвление Ga всегда поддерживалось постоянным. В каждом ности, это касается полос ФЛ, возникающих в легиротехнологическом процессе одновременно выращивались ванных кремнием слоях GaAs при энергиях фотонов h слои всех трех ориентаций. Выращенные структуры несколько ниже ширины запрещенной зоны Eg, которые включали: нелегированный буферный слой GaAs толщичасто приписываются дефектам стехиометрии, но могут ной 0.5 мкм и верхний легированный кремнием ”активбыть связаны с акцепторным поведением определенной ный” слой толщиной 0.2 мкм. Температура кремниевого части атомов Si. Последнее представляет интерес в источника задавалась такой, чтобы при = 16-связи с проблемой амфотерного поведения кремния, как обеспечить в слоях GaAs (100) концентрацию электроэлемента IV группы периодической таблицы Менделеева нов проводимости n = 1 · 1018 см-3. Концентрация в соединениях AIIIBV, например, в связи с возможностью носителей и тип проводимости определялись путем изформирования слоев, как n-, так и p-типа, или даже мерения коэффициента Холла и вольт-фарадных (C-V) p-n-переходов, используя легирование только примесью характеристик. Спектры ФЛ измерялись при T = 77 K в кремния.

диапазоне энергий фотонов h от 1.3 до 1.7 эВ. Для их Данная работа посвящена исследованию спектров ФЛ возбуждения использовался Ar+-лазер с длиной волны и электрических свойств легированных кремнием слоев = 514.5 нм и плотностью излучения до 20 Вт/см2.

GaAs с ориентациями (100), (111)A и (111)B, выращиваемых методом МЛЭ при различных соотношениях парциальных давлений мышьяка и галлия PAs4/PGa =.

3. Результаты измерений Здесь показано, что оптические свойства исследуемых слоев при энергиях несколько ниже (< 100 мэВ) Eg На рис. 1–3 представлены спектры ФЛ слоев GaAs определяются акцепторными состояниями Si, концен- различной ориентации. Из рисунков следует, что форма трация и энергетический спектр которых зависят от этих спектров для различных ориентаций различна и Влияние кристаллографической ориентации поверхности роста при молекулярно-лучевой... различным образом зависит от величины. Рассмотрим по отдельности результаты для малых, т. е. <15-16, ”нормальных” (имеются ввиду стандартные условия для слоев (100)) и больших значений, т. е. >16.

3.1. ”Нормальные” и повышенные значения :

16 < <Слои GaAs, выращенные с ориентацией (100) и (111)B, всегда имеют проводимость n-типа. При этом установлено, что форма их спектров ФЛ при ”нормальных” и повышенных давлениях мышьяка сохраняется Рис. 2. Спектры ФЛ при T = 77 K для эпитаксиальных слоев GaAs, выращенных на подложках с ориентацией (111)A при разных ; кривые 1–4 для = 16, 25, 50, 70.

почти неизменной (см. рис. 1, a, b). В случае слоев (100) наблюдаются две полосы ФЛ. Одна из них, расположенная при более высоких энергиях фотонов h и обозначенная здесь как B-полоса, соответствует межзонной излучательной рекомбинации (e h), а другая, расположенная при меньших h и присутствующая только в образцах, легированных кремнием, обозначена как Si-полоса. В соответствии с амфотерными свойствами кремния эта примесная полоса приписана оптическим переходам между зоной проводимости и акцепторным уровнем (e A), соответствующим атомам Si в узлах мышьяка. С другой стороны, в слоях с ориентацией (111)B в этом диапазоне присутствует только полоса B. Параметры и поведение полосы B (в зависимости от ) в образцах обеих ориентаций очень близки. Низкоэнергетический край (или ”хвост”) B-полосы всегда располагается ниже, чем ширина запрещенной зоны Eg в нелегированном GaAs (Eg = 1.508 эВ при T = 77 K), Рис. 1. Спектры фотолюминесценции при T = 77 K эпитактогда как ее максимум смещен по сравнению с Eg в сиальных слоев GaAs, выращенных при разных соотношениях сторону более высоких энергий h: на 20–22 мэВ для потоков As4/Ga = на подложках с ориентациями (100) (a), (111)B (b), (111)A (c). : 1 — 16, 2 — 36, 3 — 77, 4 — 12. (111)B и на 12–16 мэВ для (100).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1322 В.Г. Мокеров, Г.Б. Галиев, Ю.В. Слепнев, Ю.В. Хабаров гии Ферми EF h2p/2mh), ввиду малости последнего, поскольку эффективная масса дырок mh в GaAs почти на порядок превышает эффективную массу электронов me. С увеличением максимум B-полосы сдвигается в сторону больших энергий, так что при 25 он располагается около 1.508 эВ (т. е. при h Eg ), а для = 70 — при 1.525 эВ. Этот сдвиг связан с плавным переходом от проводимости p-типа к проводимости n-типа и последующим возрастанием степени заполнения зоны проводимости электронами.

Из рис. 1, 2 также следует, что спектральное положение и форма Si-полосы в слоях (111)A существенно изменяются при изменении. Так, при <20 Si-полоса является очень широкой, ее полуширина составляет около 150 мэВ, а максимум располагается вблизи 1.42 эВ.

Эти параметры не сильно изменяются в переходной области, т. е. в диапазоне от 20 до 30. Однако ситуация кардинально изменяется при >30-40, когда Рис. 3. Спектры ФЛ при T = 77 K для эпитаксиальных слоев возникает и затем возрастает проводимость n-типа. Здесь GaAs, выращенных при = 10 на подложках с ориентациями:

обнаруживается резкое сужение Si-полосы, ее форма 1 — (100), 2 — (111)B, 3 — (111)A.

приобретает вид острого интенсивного резонанса, а максимум сдвигается в сторону больших h, так что происходит спектральное сближение B- и Si-полос. При = полуширина Si-полосы уже не превышает 30 мэВ (т. е.

Такая ситуация типична для вырожденного GaAs становится в 5 раз уже, чем при <20) с максимумом n-типа, когда уровень Ферми EF располагается выше при 1.48 эВ. Интенсивность в максимуме при этом стадна зоны проводимости. Это приводит к распространеновится больше, чем для B-полосы. Приведенные резульнию межзонных оптических переходов к более высоким таты демонстрируют, что в слоях (111)A концентрация энергиям (эффект Бурштейна–Мосса) [5]. Известно акцепторных состояний кремния оказывается наивысшей также, что при высокой концентрации донорные со(по сравнению с другими ориентациями). При < стояния кремния формируют примесную зону, которая она, очевидно, превышает концентрацию доноров Si, и перекрывается с зоной проводимости. Это приводит к как уже отмечалось акцепторы Si формируют примесную уменьшению эффективной ширины запрещенной зоны зону, сливающуюся с валентной зоной. Это обеспечивает eff Eg и, соответственно, к сдвигу низкоэнергетического проводимость p-типа и наблюдаемую форму спектра ФЛ.

края B-полосы ФЛ к меньшим h [5].

Далее, из спектров ФЛ (спектрального положения максиНаличие Si-полосы в слоях (100) при мума B-полосы) следует, что в диапазоне от 20 до h = 1.400-1.405 эВ свидетельствует, что атомы концентрации акцепторов и доноров Si выравниваются, Si в узлах мышьяка формируют акцепторный уровень, а при > 30-40 концентрация последних становится располагающийся на 100 мэВ выше потолка валентной больше. Что касается Si-полосы, то описанная выше зоны. С увеличением давления мышьяка интенсивность трансформация ее формы при увеличении до 40–Si-полосы несколько уменьшается (см. рис. 1, a).

и выше может быть объяснена тем, что при уменьшении В слоях с ориентацией (111)A в соответствии с [1,2], концентрации акцепторов Si, что соответствует увелипри малых и средних значениях, в нашем случае это чению среднего расстояния между ними, акцепторная <20, наблюдается проводимость p-типа. При увеличезона сужается, отделяется от валентной зоны, а затем, в нии от 20 до 30 проводимость слоев (111)A снижается результате перехода типа Мотта [7], трансформируется в почти до нуля, а при > 30 возникает проводимость узкий локальный уровень. Как следует из спектров ФЛ, n-типа, возрастающая при дальнейшем увеличении. В этот уровень располагается примерно на 28 мэВ выше спектрах ФЛ слоев (111)A (см. рис. 1, c, 2, 3) всегда потолка валентной зоны.

присутствуют и B- и Si-полоса. При < 20 максимум B-полосы располагается при h < Eg : hB = 1.500 эВ 3.2. Малые значения (10 < <15) при = 16. Такая ситуация типична для p-GaAs с высокой концентрацией акцепторов [6], когда последние фор- С уменьшением величины в этом диапазоне для мируют примесную зону, перекрывающуюся с валентной слоев с ориентацией (111)A происходит дальнейшее зоной. В результате происходит снижение эффективной увеличение проводимости p-типа. При этом Si-полоса eff ширины запрещенной зоны Eg и, соответственно, сдвиг становится еще более широкой, а максимум полосы B межзонных оптических переходов в сторону меньших сдвигается к еще меньшим h (см. рис. 3).

энергий. В образцах p-типа этот эффект преобладает над В случае ориентации (111)B и (100) проводимость эффектом Бурштейна–Мосса (пропорциональном энер- n-типа хотя и сохраняется, но ее величина с уменьФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние кристаллографической ориентации поверхности роста при молекулярно-лучевой... шением снижается. Важно отметить, что в спектрах пока достаточной ясности о параметрах акцепторных ФЛ слоев (111)B при < 14 возникает полоса ФЛ, состояний Si, например, не ясно одинаковы ли они для аналогичная Si-полосе в образцах (100) и (111)A. При разных ориентаций или различны. Нами показано (см.

рис. 1, a), что в слоях (100) акцепторы Si проявляются и этом в слоях (100) интенсивность Si-полосы становится при умеренных концентрациях (NSi < 1017 см-3), но, как настолько высокой, что она доминирует над B-полосой.

следует из рис. 1, a их количество снижается при увелиДля всех слоев с уменьшением в этом диапазоне имеет чении потока мышьяка As4. Это, в соответствии с (1), место заметный сдвиг максимума B-полосы к меньшим можно объяснить уменьшением плотности вакантных h (см. рис. 3).

для адатомов Si мышьяковых узлов из-за возрастания Представленные результаты интерпретируются исходя степени их заполнения атомами As. Представленные из существенного возрастания концентрации акцепторов данные демонстрируют, что на поверхности (100) связь Si и, соответственно, снижения концентрации доноров Si Si = As оказывается несколько предпочтительней, чем при уменьшении.

связь Si = Ga, хотя их энергии, возможно, различаются не очень сильно, о чем свидетельставует тенденция к 4. Обсуждение результатов выравниванию концентраций доноров и акцепторов Si с увеличением потока Si [5].

Проанализируем полученные результаты, основываясь В случае ориентации GaAs (111)B на поверхность на различии в энергии свободных химических связей на выходят тройные свободные связи для адатомов As и поверхностях GaAs различной ориентации [1–3], с учеодинарные связи для адатомов Ga [3]. Наличие тройных том влияния плотности соответствующих молекулярных связей обеспечивает наибольшую энергию и наиболее (или атомных) потоков, и конкуренции адатомов Si с благоприятные условия для диссоциации молекул Asадатомами As и Ga при встраивании в поверхностные и последующего встраивания адатомов As в поверхузлы.

ностные узлы. В связи с этим адатомы Si могут здесь Вероятность RAji встраивания адатома Ai из молекуi оказаться наименее конкурентноспособными по сравнелярного (атомного) потока Ai в j-й узел на ростовой нию с адатомами As в заполнении мышьяковых узлов, и поверхности при МЛЭ может быть представлена как веротяность образования акцепторных Si состояний Si должна быть наименьшей. Это согласуется и с отсутRAji Wi j · j(Wkj, Ak)Ai. (1) i ствием Si-полосы (при > 16) и с наиболее высокими значениями h для максимума B-полосы в слоях (111)B, Здесь Wi j — вероятность возникновения химической а также наличием n-типа проводимости при всех.

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.