WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Фотолюминесценция пористого арсенида галлия © Д.Н. Горячев, О.М. Сресели Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 10 июня 1997 г. Принята к печати 11 июня 1997 г.) Исследована фотолюминесценция в видимой и инфракрасной областях спектра пористого GaAs, полученного с помощью электролитического или химического травления GaAs.

Полоса инфракрасной люминесценции пористого GaAs сдвинута относительно максимума кристаллического GaAs в длинноволновую область спектра и обладает большей шириной. Все образцы характеризуются широкой полосой излучения в видимой области спектра, интенсивность и форма которой зависят от условий приготовления слоев. В полосе можно выделить 2 максимума — около 420 и 560 нм.

Дано объяснение как видимого свечения, так и модификации инфракрасной полосы пористого GaAs.

Из сравнения видимой лиминесценции пористого GaAs с излучением гидратированных оксидов мышьяка и галлия сделан вывод о том, что в видимой области люминесценция пористого GaAs, в особенности полученного химическим травлением, в значительной мере определяется присутствием оксидов. Высказаны соображения о путях получения квантово-размерных образований на поверхности GaAs.

Введение Условия проведения экспериментов Широко развернувшееся в последние годы изуче- Электролитическое анодное травление n-GaAs (100) ние фотолюминесцентных свойств пористого кремния с концентрацией носителей от 1 · 1016 до 8 · 1018 см-3 (por-Si), начало которым было положено в [1], при- производилось или в 1.0 н растворе HCl, или в 40%-ом влекает внимание многих исследователей благодаря на- растворе HF с добавкой 1% HNO3. В некоторых экспедеждам найти дешевый, относительно простой и, на- риментах применялась подсветка образцов белым светом конец, универсальный способ получения низкоразмер- от лампы накаливания. Для химического травления GaAs ных полупроводниковых материалов. Именно на при- n- и p-типа проводимости с n, p = 1016-1019 см-мере por-Si была доказана роль квантово-размерных использовалась 65%-ая HNO3, в ряде случаев с добавкаэффектов в формировании по крайней мере части ми концентрированной H2SO4 для связывания воды или спектра фотолюминесценции (ФЛ) por-Si. В послед- уксусной кислоты для уменьшения скорости травления.

нее время предпринимаются попытки создать анало- После травления все образцы тщательно промывались гичные пористые слои на бинарных и более слож- водой и просушивались на воздухе при 30-40C.

ных материалах — GaAs, GaP и др. — путем их электролитического травления [2–5]. Литературные данные о попытках создания аналогичных структур с помощью химического травления, также широко применяемого при изготовлении por-Si, нам не встречались.

Известные в настоящее время сообщения об исследовании спектров фотолюминесценции пористых слоев на GaAs весьма протеворечивы. Так, в [3] отмечается небольшой коротковолновый сдвиг максимума инфракрасного (ИК) излучения пористого GaAs (por-GaAs), в то время как в [4] существование такого сдвига отрицается. Значительные различия наблюдаются в положениях максимума видимой ФЛ (рис. 1). Наконец, о природе видимой ФЛ практически ничего не известно. В принципе она может определяться как квантово-размерными эффектами, так и наличием на поверхности образца новых химических соединений.

В настоящей работе исследовалась ФЛ поверхностных слоев, образующихся в результате как электролитическоРис. 1. Спектры видимой люминесценции por-GaAs. 1 — [3], го, так и химического травления GaAs.

2, 3 — [4] (различные образцы).

1384 Д.Н. Горячев, О.М. Сресели Рис. 2. Спектры ИК люминесценции исходного GaAs (пунктирные линии) и por-GaAs (сплошные). a — n = 1 · 1016, b — n = 1.4 · 1018 см-3.

ФЛ возбуждалась импульсами лазера с = 337 нм, Все полученные слои характеризуются наличием ФЛ длительностью 10 нс, с частотой 100 Гц. Спектры ФЛ в ИК области спектра, близкой к полосе излучения измерялись при комнатной температуре с помощью ком- подложки. Такая же полоса ИК излучения наблюдается пьютеризированной установки на базе монохроматора в спектрах свободных (отделенных от подложки) пленок МДР-2. Детекторами излучения служили фотоумножи- и в порошкообразном por-GaAs. Эти наблюдения в тели ФЭУ-79 (для видимой области) и ФЭУ-62 (для ИК совокупности с известными результатами рентгеновских области спектра).

и микроскопических исследований [2] свидетельствуют о том, что получаемые в результате электролитического травления слои представляют собой губчатые обраРезультаты экспериментов зования, состоящие в основном из GaAs. Для всех и их обсуждение слоев, выращенных на подложках с n = 1016 см-3, наблюдается сдвиг ИК максимума в длинноволновую При электролитическом травлении n-GaAs область спектра и расширение полосы ФЛ (рис. 2, a).

(n = 1.4 · 1018 см-3) в растворах HCl, начиная с Такой же сдвиг максимума, но без уширения полосы, плотности тока (J) около 5 мА / см2, на поверхности наблюдается у образцов с n = 1018 см-3 (рис. 2, b).

образцов образуется темная плотная пленка, прочно Все образцы por-GaAs обладают ФЛ в видимой области сцепленная с подложкой. При J > 30 мА/см2 образуется спектра (рис. 3, a). Интенсивность и форма полосы толстый слой, легко отделяющийся от подложки. При зависят от условий приготовления слоев. Наибольшей еще больших плотностях тока этот слой рассыпается в интенсивностью, несмотря на малую толщину, обладают мелкий порошок уже в процессе электролиза. Замена ”химические” слои. У этих слоев преобладает ФЛ в растворителя (воды) на водно-этанольную смесь (1 : 1) красной области спектра (рис. 3, a, кривая 1), а для снижает токовый порог ”рассыпания” примерно в 2 раза.

”электролитических” слоев характерна двугорбая криНа GaAs с n = 1·1016 см-3 в широком интервале плотвая с более выраженным коротковолновым максимумом ностей тока в темноте вместо толстого слоя образуются (рис. 3, a, кривые 2 и 3).

только тонкие неоднородные пленки.

Рассматривая вопрос о природе ФЛ por-GaAs, следует Электролит, содержащий в своем составе HF + HNO3, иметь в виду, что травление бинарных полупроводниобразует на поверхности GaAs тонкую темную пленку ков — процесс значительно более сложный в сравнении уже через несколько секунд после погружения в него образца без пропускания тока, т. е. действует как хи- с травлением простых веществ, в частности кремния.

Это связано со значительной степенью ионности кримический травитель. Дальнейший электролиз в таком сталлических решеток бинарных полупроводников и с электролите приводит к образованию толстых слоев por-GaAs, так же как и при электролизе в растворах HCl. разными скоростями перехода в раствор двух различных Наконец, в результате химического травления обра- компонентов полупроводника. В результате поверхность зуются тонкие однородные черные слои, толщина ко- образца обогащается преимущественно одним элементорых практически не зависит от времени травления. том, обычно в форме его гидратированного оксида.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотолюминесценция пористого арсенида галлия Степень обогащения зависит от состава травителя, а в случае электролитического травления еще и от режима электролиза. Возможно также образование оксидов на стадии промывания и просушивания образцов. Физикохимические свойства таких образований отличаются от свойств исходного полупроводника. Поэтому могут изменяться и люминесцентные характеристики его поверхности.

Чтобы выяснить характер возможного влияния оксидов на видимую ФЛ por-GaAs, были измерены спектры ФЛ гидратированных оксидов мышьяка и галлия, полученных химическими способами не на поверхности GaAs (рис. 3, b, кривые 4 и 5 соответственно). При этом наблюдались интенсивные спектры, весьма напоминающие видимые полосы ФЛ por-GaAs. Из сравнения этих кривых со спектрами слоев por-GaAs, приготовленных различными способами, можно сделать следующие выводы.

Рис. 4. Спектры люминесценции por-GaAs (химические слои) ФЛ химических слоев в значительной мере определяется до (1) и после (2) сульфидной обработки.

присутствием на их поверхности оксида галлия, что соответствует известным литературным данным о том, что при химическом травлении GaAs в крепких растворах HNO3 на его поверхности образуется преимущественно оксид галлия [6]. При электролитическом травлении оксидирование поверхности por-GaAs менее выражено, чем при химическом, образуются оба оксида, но с преобладанием оксида мышьяка, что также подтверждается данными работы [2].

Были проведены эксперименты по удалению оксидов с поверхности por-GaAs химическими способами. Известно, что свежеобразованные оксиды как Ga, так и As легко растворяются в щелочных растворах при pH 12–14. В качестве таких растворов использовались 1 н растворы Na2CO3 или Na2S. Обнаружено, что после такой обработки химических слоев por-GaAs интенсивность видимой ФЛ снижается более чем на порядок (рис. 4), что подтверждает сделанные выше выводы. Интенсивность ИК излучения, наоборот, возрастает после растворения оксидов в растворе Na2CO3 и еще более усиливается после погружения такого образца на 5–10 с в растворе Na2S. Аналогичные результаты получаются и при удалении оксидов непосредственно в растворе Na2S. Усиление ИК излучения после обработки в растворах Na2S связано с известным эффектом пассивации поверхности GaAs при его сульфидировании [7]. Влияние этой же обработки на электролитические слои значительно слабее.

Природа остающегося после растворения оксидов слабого видимого свечения por-GaAs требует дальнейших исследований.

Изменение собственной (ИК) ФЛ GaAs при образовании пористого слоя может быть связано со значительными флуктуациями краев зон в por-GaAs или, другими словами, с увеличением хвостов плотности состояний Рис. 3. Спектры видимой люминесценции. a — слои в зонах. Флуктуации возникают как из-за значительной por-GaAs, b — гидратированные оксиды. 1 — ”химикривизны внутренней поверхности мелких образований ческий” слой, 2 — ”электролитический” слой, электролит por-GaAs, так и благодаря возникновению поверхностHF + HNO3, 3 — то же, электролит HCl, 4 —As2O3 · nH2O, ных дефектов и неровностей вследствие селективного 5 —Ga2O3 · nH2O.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1386 Д.Н. Горячев, О.М. Сресели травления. С увеличением хвостов зон уменьшается Photoluminescence of porous gallium энергия излучаемых квантов и наблюдается сдвиг макarsenide симума ФЛ в длинноволновую область, т. е. в сторону D.N. Goryachev, O.M. Sreseli меньших энергий. Излучательная рекомбинация между хвостами зон объясняет и уширение полосы излучения в A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, слабо легированных образцах.

Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia Заключение

Abstract

Photoluminescence from porous GaAs in visible and infrared spectral regions is investigated. Porous layers, including В работе описанно получение слоев пористого GaAs free-standing ones, were manufactured by electrochemical and методами электролитического и химического травления chemical etching of GaAs.

полупроводника. На основе изучения спектров ФЛ сдеThe infrared photoluminescence band of porous GaAs is лан вывод о том, что полученные слои представляют widened and shifted to longer wavelengths relative to the bulk собой кристаллиты GaAs с хорошо развитой поверхноGaAs band. All the porous GaAs samples exhibit visible lumiстью, окруженные большим количеством гидратированnescence. There are two maxima in the visible band — near ных оксидов галлия и мышьяка. На данной стадии экспеand 560 nm. The intensity and the shape of these maxima depend риментов квантово-размерные эффекты в фотолюминес- strongly on preparation parameters.

ценции пористых слоев GaAs не наблюдались. Видимая Explanation of visible luminescence as well as of infrared band ФЛ пористых слоев, особенно полученных химических modification is proposed. The significant part of visible emission травлением GaAs, связана в значительной мере с излуче- is shown to be connected with luminescence of hydrated oxides нием гидратированных оксидов галлия и мышьяка. Это of arsenic and gallium. The paths of obtaining the quantum косвенно подтверждает сделанный ранее вывод об осо- confinement in porous GaAs are discussed.

бом механизме образования низкоразмерных структур на кремнии, связанном с его оригинальными химическими свойствами [8]. Однако наблюдавшееся нами заметное уменьшение размеров кристаллитов при введении в электролит спирта и использование дополнительных мер по пассивации поверхности por-GaAs позволяют рассчитывать на обнаружение в дальнейшем квантоворазмерных эффектов на por-GaAs.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследовний (грант 9602-17903) и программы Министерства науки ”Физика твердотельных наноструктур” (проекты 96-1012 и 971035).

Список литературы [1] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett., 57, 1046 (1990).

[2] P. Schmuki, J. Frazer, C.M. Vitus, M.J. Graham, H.S. Isaacs.

J. Electrochem. Soc., 143, 3316 (1996).

[3] P. Schmuki, D.J. Lockwood, H.J. Labb, J.W. Fraser. Appl. Phys.

Lett., 69, 1620 (1996).

[4] А.А. Лебедев, Ю.В. Рудь. Письма ЖТФ, 22, 12 (1996).

[5] B.H. Erne, D. Vanmeakelbergh, J.J. Kelly. Adv. Mater., 7, 739 (1995); А.В. Зотеев, П.К. Кашкаров, А.Н. Образцов, В.Ю. Тимошенко. ФТП, 30, 1473 (1996).

[6] B. Schwartz. CRC Critical Reviews in Solid State Sciences, November (1975).

[7] C.J. Sandroff, R.N. Nottenburg, J.-C. Bischoff, R. Bhat. Appl.

Phys. Lett., 51, 33 (1987).

[8] D.N. Goryachev, L.V. Belyakov, O.M. Sreseli, I.D. Yaroshetskii.

Semicond. Sci. Technol., 10, 373 (1995).




© 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.