WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 12 Электронные свойства полуизолирующего GaAs Cr, облученного протонами © В.Н. Брудный¶, А.И. Потапов Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, 634050 Томск, Россия (Получена 13 декабря 2000 г. Принята к печати 26 апреля 2001 г.) При протонном облучении (5 МэВ, 300 K, D 2 · 1017 см-2) полуизолирующего GaAs Cr ( (3-4)108 Ом · см) выявлены n-p-конверсия типа проводимости и уменьшение удельного электросопротивления до 102 Ом · см (300 K). Температурные зависимости в сильно облученных образцах указывают на прыжковую проводимость в интервале температур (400–120) K с переходом к проводимости с переменной длиной прыжка при T 120 K. В низкоомных слоях облученного протонами GaAs Cr обнаружены эффекты электронного переключения вблизи 20 K. Исследован изохронный отжиг радиационных дефектов в интервале температур (20-750)C.

Введение полуизолирующем материале, в качестве которого выбран выращенный методом Чохральского n-GaAs Cr Начиная с первой работы, в которой было показа( (3-4) · 108 Ом · см и µH 1500 см2/(В · с) но, что бомбардировка ионами H+(3МэВ) приводит к при 300 K). Выбор GaAs Cr обусловлен несколькими увеличению электросопротивления GaAs [1], протонное причинами:

облучение получило широкое применение для создания 1) такой материал используется в качестве подложек высокоомных областей — для межэлементной изоляции в интегральных схемах, в электронных схемах на основе данного материала, 2) он находит применение в физике высоких энергий для изготовления элементов интегральной оптики и т. п.

при производстве детекторов ядерного излучения, в том Позднее было показано, что изменения электрофизичечисле для регистрации высокоинтенсивных протонных ских, рекомбинационных и оптических свойств GaAs при пучков, высокоэнергетическом облучении обусловлены захватом 3) исходный уровень Ферми в GaAs Cr расположен свободных носителей на глубокие уровни радиационных глубоко в запрещенной зоне и близок к Flim в облучендефектов (РД), так называемые электронные (E) и дыном материале, что позволяет минимизировать влияние рочные (H) ловушки — основные по концентрации РД захвата свободных носителей на уровни РД на электрив GaAs, облученном вблизи комнатных температур [2].

ческие свойства облученных образцов. Это открывает Было показано, что в зависимости от исходного уровня возможности исследования электронных свойств праклегирования материала протонная бомбардировка притически собственного материала с высокой плотностью водит к увеличению удельного сопротивления GaAs до глубоких локальных состояний РД в запрещенной зоне максимальных значений max(D) (105-109) Ом · см кристалла, в котором положение уровня Ферми в резуль(при 300 K) [3,4]. При этом при всех видах высокотате облучения изменяется незначительно. Можно отмеэнергетического облучения уровень Ферми в GaAs статить, что впервые низкоомные слои в полуизолирующем билизируется в предельном (стационарном) положении GaAs были получены с помощью бомбардировки ионами вблизи Flim EV + 0.6 эВ, которое тождественно полоинертных газов [7].

жению уровня локальной электронейтральности данного Бомбардировка ионами водорода (E = 5МэВ) проматериала [5]. Последующее облучение (”переоблучеводилась на циклотроне при T 320 K и плотности ние”) такого материала протонами приводит к снижетока j (1-5) · 10-8 А/ см2. С учетом среднего нию удельного сопротивления облученных образцов по проецированного пробега ионов H+ (5МэВ) в GaAs, сравнению с его максимальными значениями max(D), составляющего около 125–130 мкм, образцы для исследостигаемыми при облучении, и в конечном счете к дований выбирались толщиной d 90 мкм. Величина формированию низкоомных слоев GaAs [4,6]. Именно пробега ионов определялась из измерений распределеисследованию свойств такого ”переоблученного” GaAs ния интенсивности краевой катодолюминесценции по и посвящена главным образом настоящая работа.

сколу облученного слоя с использованием электронного микрозонда диаметром менее 5 мкм. Для получения Методика эксперимента более однородного распределения РД по глубине нарушенного слоя облучение проводилось с двух сторон, Особенность данной работы состоит в том, что испри этом интегральные потоки частиц суммировались.

следование воздействия протонных пучков на электроЭто позволило работать с объемными образцами и тем физические свойства арсенида галлия проводилось на самым исключить использование подложек и уменьшить ¶ влияние поверхности на измеряемые характеристики, E-mail: brudnyi@ic.tsu.ru Fax: (3822)233034 что существенно при исследовании материала с высоким 1424 В.Н. Брудный, А.И. Потапов удельным электросопротивлением. При этом высокая эффективность дефектообразования при протонном облучении позволяет получить материал с высокой плотностью РД.

Эксперимент и его обсуждение Зависимости от дозы облучения D удельного электросопротивления (D), постоянной Холла (RH) и энергии активации (E) в выражении (T ) exp[E(D)/kT ] для температур вблизи 300 K в исследованном материале представлены на рис. 1. На кривых (D) и E(D) видны 2 области изменений электросопротивления и энергии активации:

1) первоначальное возрастание от (3-4)·108 Ом·см в исходном материале до (D)max 1/2eni(µnµp)1/2 (109-2 · 109) Ом · см Рис. 2. Спектры оптического поглощения GaAs Cr, облученного протонами; температура измерений T 80 K.

и соответствующее этому увеличению E(D) от Интегральные потоки D, 1017 см-2: 1 —0, 2 —10-3, 3 — 0.67 эВ до E(D) Eg/2 при малых потоках ионов 0.01, 4 — 0.03, 5 —0.3, 6 —1, 7 —2.

H+ (D 2 · 1014 см-2);

2) уменьшение до значений 102 Ом · см и соответственно E до 0.1 эВ при последующем облучении мапри дальнейшей протонной бомбардировке (согласно териала интегральными потоками протонов до величины измерениям термоэдс вблизи 300 K).

D = 2 · 1017 см-2.

Очевидно, что изменения характера кривых (D) при Измерения эффекта Холла и термоэдс вблизи D 1015 см-2 (вблизи 300 K) соответствуют смене 300 K указывают на n-p-конверсию типа проводимости механизма электронного транспорта от переноса заряда GaAs Cr при D 8 · 1014 см-2 за счет смещения свободными носителями к прыжковому механизму пеуровня Ферми в предельное (стационарное) положение реноса заряда по глубоким состояниям РД вследствие (для GaAs — вблизи EV + 0.6эВ [5]). При этом их высокой плотности в ”переоблученных” образцах.

p-тип проводимости облученного материала сохраняется Эксперименты показывают, что суммарная скорость введения E- и H-ловушек в GaAs для протонов с энергией E = 5 МэВ составляет около 103 см-1 согласно измерениям по методу НЕСГУ (нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней) на образцах n-GaAs [8]. Для D 1015 см-2 это позволяет оценить общую концентрацию РД на уровне 1018 см-3 и соответственно для D 2 · 1017 см-2 — порядка 1020 см-(в предположении сохранения скорости введения РД при больших потоках ионов H+). При этом скорость введения глубоких ловушек E5 (EC - 0.90 эВ), вблизи уровня которых стабилизируется уровень Ферми в облученном GaAs, составляет около 50 см-1, что соответствует концентрации этих ловушек на уровне 1019 см-(при D = 2 · 1017 см-2).

Эти оценочные значения в целом подтверждаются данными оптических исследований, которые показывают высокую плотность щелевых состояний в облученных протонами образцах (рис. 2). Кривые оптического поглощения (h) имеют вид, близкий к экспоненциальному, за исключением особенностей вблизи 0.5 и 0.1 эВ. При Рис. 1. Изменение удельного электросопротивления (1), этом вклад изгиба зон в величину (h) в исследуемом постоянной Холла RH (2) и энергии электросопротивления E материале должен быть существенным только в области (3) в выражении (T ) exp[E(D)/kT ] для полуизолирующекраевого поглощения, поскольку смещение уровня Ферго GaAs Cr при протонном (5МэВ) облучении; температура измерения T 300 K. ми в облученных областях по отношению к его положеФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Электронные свойства полуизолирующего GaAs Cr, облученного протонами значений (рис. 3, кривые 3–6). В таких образцах уровень Ферми уже закреплен вблизи своего предельного положения Flim EV + 0.6 эВ, а сам материал является почти полностью компенсированным.

При D 2 · 1017 см-2 прыжковая проводимость доминирует в области температур от 400 до 20 K (рис. 4). На кривых (T ) таких образцов для T < 400 K можно выделить по крайней мере две области изменения (T ). При температурах вблизи 400–150 K имеет место зависимость вида (T ) 3 exp(E3/kT ), где 3 (1-2) Ом · см и соответствующее значение Eсоставляет около 0.1 эВ. Эта область соответствует прыжковой проводимости носителей по зоне дефектов шириной порядка E3. При понижении температуры (ниже 120 K) величина локальной энергии активации электросопротивления, El = ln /(kT )-1, уменьшается, что указывает на переход к проводимости с переменной длиной прыжка.

Для исследования механизма прыжковой проводимоРис. 3. Температурные зависимости сопротивления в GaAs Cr, облученном протонами. Интегральные пото- сти в области переменной энергии активации El были ки D, 1017 см-2: 1 —0, 2 —5 · 10-5, 3 — 0.04, 4 —0.1, построены зависимости (T ) exp[(T0/T )p]. Как 5 — 0.17, 6 —1.5.

отмечалось уже в ранних исследованиях [11], выбор показателя p представляет непростую задачу, поэтому на нию в исходном GaAs Cr составляет менее 0.2 эВ. Следует ожидать, что зависимость (h) в целом повторяет распределение плотности состояний в запрещенной зоне облученного протонами GaAs Cr. Принимая сечение поглощения на глубоких уровнях порядка 5·10-17 см2 [9], по величине (h) вблизи 0.6 эВ можно оценить плотность щелевых состояний на уровне 1.6 · 1019 см-3 (для D 2 · 1017 см-2), что по порядку величины близко к экстраполированным значениям плотности ловушек E(EC - 0.90 эВ) из измерений по методу НЕСГУ.

Высокая плотность глубоких локальных центров вблизи энергии, соответствующей Flim в облученном протонами GaAs Cr, приводит к появлению прыжковой проводимости (рис. 3). Так, на исходных кристаллах температурные зависимости выявляют активационный участок типа (T ) 1 exp(E1/kT ) при T > 200 K, где величина E1 0.67 эВ. При малых потоках облучения значение E1 растет до величины, близкой Eg/2 (рис. 3, кривая 2), что соответствует некоторому заглублению уровня Ферми при введении РД. При этом величина 1/1 103 Ом1 · см-1 близка к значению так называемой минимальной металлической проводимости GaAs m 550 Ом-1 · см-1 [9,10]. Эта область (T ) обусловлена термическим возбуждением носителей заряда с глубоких уровней (Cr, РД), расположенных вблизи уровня Ферми, в зону проводимости кристалла.

В области более низких температур отмечен второй Рис. 4. Температурные зависимости ((T) T (1), активационный участок (T ), характерный для прыжко1/2 1/(T) T (2), (T ) T (3)) в облученном протонами вой проводимости по центрам с глубокими уровнями.

D 2 · 1017 см-2 GaAs Cr. Сплошными линиями показаны Вклад прыжковой проводимости в общий перенос заряда участки, соответствующие (T) exp(0.1/kT ) для кривой 1 и увеличивается с ростом интегрального потока протонов, (T) exp[(7 · 107/T )1/4] для кривой 3. На вставке — вольтпри этом имеет место практически параллельный сдвиг амперная характеристика облученного образца (T 20) Kпри низкотемпературных кривых (T ) в область меньших сопротивлении нагрузки 350 Oм.

2 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1426 В.Н. Брудный, А.И. Потапов рис. 4 представлены кривые (T ), для которых значение p равно 1/4 (закон Мотта для хаотически распределенных глубоких состояний) и 1/2 (наличие кулоновской щели в плотности состояний вблизи уровня Ферми за счет корреляционных эффектов). Хотя зависимость (T ) с показателем p = 1/4 наблюдается в интервале 8 порядков изменения величины (в области 120-20 K), закон изменения (T ) в области более низких температур из-за высоких значений остается неизвестным, так как для высокоомных образцов при увеличении напряжения внешнего смещения (U) на кривых (U) наблюдается отступление от закона Ома вблизи величины электрического поля E 90 В / см для T 20 K (см. вставку на рис. 4). Это соответствует переходу в область сильных электрических полей и близко к оценочной величине критической напряженности электрического поля Ec = kT /ea 102 В/ см для a 1нм, (здесь a —радиус близких к уровню Flim локализованных состояний [12]).

Рис. 5. Изохронный отжиг в течение 10 мин облученного В области низких температур, вблизи 20 K, при увелипротонами GaAs Cr. Температура измерений T = 300 K.

чении внешнего смещения (E > Ec) отмечены эффекты Потоки протонов D, 1017 см-2: 1 — 0.04, 2 —0.1, 3 —1.5.

электронного переключения — появление ОДС (отрицательного дифференциального сопротивления) S-типа на статической вольт-амперной характеристике переоблученных образцов, а также гистерезистные явления в переоблученных протонами образцах GaAs Cr элекпри подаче и уменьшении внешнего смещения. Все это трофизические свойства в широком интервале темперане позволило провести измерения (T ) на облученном тур, включая температуру 300 K, определяются прыжматериале в области гелиевых температур.

ковой проводимостью носителей по глубоким состояниМожно ожидать, что для облученного полупроводям РД.

ника с хаотически распределенными РД с глубокими Изучены особенности восстановления электрофизиуровнями, как и в аморфных полупроводниках, при ческих свойств облученного протонами GaAs Cr при описании низкотемпературного участка (T ) наиболее изохронном отжиге в интервале температур (20-750)C вероятен закон Мотта. Поэтому из зависимости вида (рис. 5). В слабо облученных образцах первая стадия (T ) exp[(T0/T )1/4], представленной на рис. 4, было восстановления в области (150-300)C совпадает с оценено значение отжигом E- и H-ловушек, предположительно точечных РД, и соответствует возврату уровня Ферми в исходT0 = A(R/a)3(E2/k) 7 · 107 K, ное (до облучения) положение. В сильно облученных образцах вследствие высокой плотности РД уровень где A 21.2 — численный коэффициент теории [12], Ферми при полном отжиге E- и H-ловушек (до 300C), a 1 нм найдено из выражения по-видимому, остается закрепленным вблизи Flim. Восстановление, наблюдаемое в интервале температур a h/2 (2mEi)1/2, отжига от 200Cдо 600C, соответствует уменьшению вклада прыжковой проводимости в общий перенос где m = mlh = 0.08 m0, а в качестве энергии центра заряда вследствие уменьшения плотности РД. При Ei взят уровень энергии ловушки E5 (EC - 0.90 эВ).

этом возврат уровня Ферми в положение, близкое к С учетом того, что плотность ловушек E5 может быть исходному (до облучения) в таком материале, и обратоценена из соотношения N(E5) 50 · D см-3, это дает ная n-p-конверсия типа проводимости имеют место a 1.5 нм в соответствии с выражением при температурах отжига выше 600C. Это связывает1/ся с уменьшением концентрации более сложных РД в 3 = 03 exp(1.73/NE5 a).

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.