WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1 Влияние примесей на излучательную рекомбинацию через центры EL2 в монокристаллах арсенида галлия © М.Б. Литвинова¶ Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Поступила 24 сентября 2002 г. Принята к печати 29 апреля 2003 г.) Изучена природа влияния атомов кадмия и селена на изменение квантовой эффективности излучения, индуцируемого дефектами EL2 в монокристаллах арсенида галлия. Использовалась сравнительная методика диффузии примеси в условиях вакуума и атмосферы мышьяка. Установлено, что характер и степень изменения квантовой эффективности излучения определяются вакансионным составом кристаллов и обусловлены вероятностью формирования комплексов EL2–примесь.

1. Введение В настоящей работе будет показано, что медь является не единственной примесью, вызывающей изменение Антиструктурные дефекты EL2 играют основную роль квантовой эффективности излучения через дефекты EL2.

в определении полуизолирующих свойств монокристал- Рассмотрена природа такого изменения с использолов нелегированного арсенида галлия — подложечного ванием сравнительной методики введения примеси в материала, который широко используется в современной условиях вакуума и атмосферы мышьяка. Сделан анализ микроэлектронике. Данные о структурных и рекомби- полученных данных с позиции структуры центров EL2.

национных характеристиках этих центров способствуют получению качественных кристаллов с заданными свой2. Методика эксперимента ствами.

Рекобинационные процессы с участием центров EL2 Исходными при исследовании являлись кристаллы индуцируют появление в спектрах низкотемпературной полуизолирующего нелегированного (ПИН) GaAs n — (T = 77 K) фотолюминесценции (ФЛ) полосы излучения типа проводимости, выращенные методом Чохральс энергией максимума hm 0.65 эВ, которая являетского с ориентацией (100) и удельным сопротивлеся суперпозицией полос с hm 0.63 и hm = 0.68 эВ нием = 7 · 107-2 · 108 Ом · см. Концентрация центров (рис. 1, a) [1]. Первая из них вызвана излучательным EL2, найденная по оптическому поглощению кванзахватом свободных электронов e заряженными дефектов света с энергией h = 1.04 эВ [1], составляла тами EL2+ (переход e EL2+), вторая — свободN =(1.2-1.8) · 1016 см-3. Исходная разность интенсивных дырок h нейтральными дефектами EL20 (переход ностей полос ФЛ с hm 0.63 и hm 0.68 эВ при 77 K h EL20) (см. вставку на рис. 1, a). На эффективность не превышала 6%. Поскольку в изучаемой спектральной рекомбинации через рассматриваемые центры оказываобласти также могут присутствовать полосы, индуциют влияние ряд факторов. Прежде всего это процессы руемые атомами кислорода [4,5] (hm 0.63 эВ), было самодиффузии в GaAs. Диффузия от поверхности крипроведено исследование спектров селективного возбусталлов вакансий мышьяка при высокотемпературной ждения ФЛ. Результаты по фототушению излучательной термообработке (ТО) материала в условиях вакуума рекомбинации через дефекты EL2 до и после введения вызывает уменьшение концентрации центров EL2 (NEL2) примеси в образцы (см. Приложение) позволили свявследствие реакции зать все обнаруженные в настоящей работе эффекты с центрами EL2.

AsGa + VAs VGa + AsAs (1) Введение примеси (селена или кадмия) осуществлялось в образцы толщиной 2 mm при температуре и снижение интенсивности излучения с hm = 0.65 эВ 800C в течение 4-8 ч c последующей их закалкой.

(I0.65). Напротив, формирование новых центров ELПоступление примеси происходило из термически напыпри ТО в условиях избыточного давления паров As ленного слоя Cd (Se) толщиной 1 мкм, обеспечивающего (pAs > 9.8 · 104 Па) ведет к увеличению I0.65 [2].

условия диффузии из постоянного источника. ОбразоТакже известно, что снижение интенсивности излучевавшийся поверхностный слой Ga2Se3 после диффузии ния с hm 0.65 эВ имеет место при введении в криSe удаляли в кислотном травителе.

сталлы GaAs атомов меди, что обусловлено пассивацией Диффузия примесей проводилась в вакууме и при дефектов EL2 в результате формирования комплексов избыточном давлении паров мышьяка. При термообEL2–Cu [3]. Однако влияние других донорных и акцепработке образцы помещались в кварцевые ампулы торных примесей на эффективность рекобинации через с рабочим объемом 4см-3, предварительно рассматриваемые центры практически не изучено.

обезжиренные и протравленные в „царской водке“, ¶ E-mail: lmb@ist.com.ua что снижало неконтролируемое загрязнение кристаллов Влияние примесей на излучательную рекомбинацию через центры EL2 в монокристаллах арсенида... при T = 800 K (DCd 3 · 10-16 см2 · с-1, DSe = = = 7 · 1017 см2 · с-1 [6]) существенно ниже, чем для вакансий мышьяка (DV As 1 · 10-15 см2 · с-1) [7], = диффузия в вакууме обеспечивала поступление примеси в кристаллы с дефицитом мышьяка, а при избыточном давлении паров As — в кристаллы с его избытком [2].

Также проводился контрольный отжиг образцов без напыления примеси. Он происходил в вакууме и при избыточном давлении паров мышьяка в тех же условиях, что и при диффузии селена и кадмия. Концентрацию носителей заряда при n > 1016 см-3 определяли по полуширине краевой полосы ФЛ при 300 K [8].

Изучение спектров ФЛ и селективного возбуждения люминесценции (СВЛ) проводилось по стандартным методикам [8]. Источником возбуждения ФЛ служил гелийнеоновый лазер с длиной волны излучения 0.63 мкм.

Для получения спектров СВЛ использовалась лампа КГМ мощностью 60 Вт. Селективное выделение полос возбуждения полушириной wex 0.8 мэВ мощностью 4-6мВт в области hex = 1.0-1.52 эВ производилось монохроматором МДР-2. Интенсивность излучения (Im) при 77 K в области значений hm > 1 эВ регистрировалась ФЭУ-68, а при hm < 1 эВ — охлаждаемым германиевым фотодиодом ФД-9Г с последующим автоматическим перерасчетом значений относительной интенсивности излучения Iarb = Im/Iex (Iex — соответствующая интенсивность возбуждения ФЛ).

При изучении фотогашения излучения через центры EL2 образец первоначально нагревался до T = 155 ± 5 K и выдерживался при такой температуре 10–11 мин. Затем он резко охлаждался до T = 77 K.

Измерение интенсивности Im проводилось после полной стабилизации ее величины. Процедура повторялась перед определением каждого нового значения Im(hex), шаг измерений составлял hex = 2 мэВ.

3. Теоретические соотношения для интенсивности излучения через центры EL3.1. ПИН GaAs (n-тип проводимости) Рис. 1. Полоса излучения с hm 0.65 эВ при T = 77 K в спектре ФЛ кристаллов арсенида галлия: a — разложе- При собственном возбуждении ФЛ в стационарном ние на составляющие с максимумами излучения на 0.случае интенсивности обусловленных дефектами EL2+ и 0.68 эВ. На вставке — соответствующие оптические пе(I0.63) и EL20 (I0.68) полос люминесценции (рис. 1, a) реходы; b — изменение I0.65 в результате введения кадодинаковы [1,3]:

мия (NCd = 8 · 1017 см-3); c — изменение I0.65 в результате I0.68 = I0.63. (2) введения селена (NSe = 3 · 1018 см-3). 1 — исходные ПИН кристаллы, 2 — ТО в вакууме без примеси, 3 — ТО в Тогда в высокоомном нелегированном материале атмосфере As без примеси, 4 — примесь введена в вакууме, 5 — примесь введена в атмосфере As.

I0.68 = c0 · NEL2 · p, (3) p + I0.63 = c+ · NEL2 · n = c+ · (NEL2 - NEL2) · n, (4) n n медью. Ампулы откачивались до давления < 10-3 Па. где n и p — неравновесные концентрации электронов Для создания избыточного давления паров As в них и дырок (n, p n0, p0; n0, p0 — их равновесные конпомещалась навеска мышьяка массой 20 мг. Поскольку центрации); c+ и c0 — коэффициенты излучательного n p значения коэффициента диффузии для примесей захвата электронов дефектами EL2+ и дырок дефектами Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 46 М.Б. Литвинова + EL20 соответственно; NEL2 и NEL2 — концентрации этих дефектов; NEL2 — их суммарная концентрация. Из (2), (3) и (4) следует, что 0 c0 · NEL2 · p = c+(NEL2 - NEL2)n, (5) p n NEL2 =(c+ · NEL2 · n)/(c0 · p + c+ · n). (6) n p n Поскольку c0 c+, то NEL2 NEL2 и = p n I0.65 = c0 · NEL2 · p. (7) p 3.2. GaAs(Cd) В низкоомном материале с p-типом проводимости (p0 n, p) в равновесии все центры заполнены дырками и равновесная концентрация NEL2 = 0, а неравновесная — NEL2 NEL2. Поэтому в условиях линейной рекомбинации носителей заряда интенсивность излучения через центры EL2 составляет Рис. 2. Изменение I0.65 в зависимости от концентрации I0.65 = c+(NEL2 - NEL2)n c+ · NEL2 · n. (8) n n примеси: 4 —Cd; 5, 6 —Se; 4, 5 — атмосфера As; 6 — вакуум.

Разрывные линии графика соответствуют I0.65: 1 — в исходном 3.3. GaAs(Se) кристалле, 2 — после ТО в атмосфере As без примеси, 3 — после ТО в вакууме без примеси.

В низкоомном материале n-типа проводимости (n0 n, p) все центры заполнены электронами, рав+ новесная концентрация NEL2 = 0 и NEL2 = NEL2. Тогда а время их жизни (n =(2-3) · 10-10 с) мало изменялось из (2) следует, что по сравнению с ПИН GaAs (это свидетельствует об + 0 c+ · NEL2 · n = c0(NEL2 + NEL2) p. (9) отсутствии новых, более эффективных каналов излучаn p тельной и безызлучательной рекомбинации), то из соот0 Поскольку NEL2 NEL2, то в условиях линейной реношений (10) и (11) следует, что I0.65 NEL2. Поэтому комбинации носителей заряда снижение I0.65 после ТО в атмосфере As, как и при легировании Cu [3], вызвано понижением концентрации I0.65 = c0 · NEL2 · p. (10) p изолированных центров EL2 вследствие образования комплексов EL2–Cd.

Действительно, поскольку атомы Cd в GaAs занимают 4. Экспериментальные результаты вакансии Ga, то в состав комплексов они могут входить и их обсуждение как EL2–CdGa.1 Как уже отмечалось, значения коэффициента диффузии для Cd существенно ниже, чем для 4.1. Введение кадмия вакансий мышьяка. Поэтому можно считать, что кадмий После диффузии атомов кадмия поверхность кристалдиффундирует в область кристалла, где при избыточном лов характеризовалась p-типом проводимости. Легиродавлении паров As снижается [VAs] и, в соответствии с вание в условиях вакуума вызывало снижение I0.65 в той выражением [2].

же мере, что и ТО без примеси (рис. 1, b, кривые 2, 4).

[VAs][VGa] =k · p1/2 (11) При избыточном давлении паров As диффузия Cd As приводила к уменьшению интенсивности излучения че([VAs] и [VGa] — концентрация вакансий As и Ga), рез центры EL2, а отжиг контрольных образцов без растет [VGa] (дефицит галлия) [6]. Увеличение числа VGa примеси — к его увеличению (см. Введение). Значевблизи антиструктурных дефектов AsGa способствует ния I0.65 на поверхности легированных кристаллов были образованию комплексов EL2–CdGa. В то же время на 2-3 порядка ниже значений, характерных для отжига диффузия в вакууме происходит в приповерхностную без примеси (рис. 1, b, кривые 3, 5).

область кристалла с высокой [VAs] и, соответственно, Зависимость I0.65 от концентрации примеси показала низкой [VGa]. Это определяет малую вероятность форми(рис. 2, кривая 4), что происходит снижение I0.65(NCd) рования комлексов AsGa–CdGa и введение Cd не влияет по мере увеличения содержания атомов кадмия в крина I0.65.

сталле.

Диффузия Cd и Se происходит по диссоциативному механизму, Поскольку на поверхности легированных кристаллов и вероятность формирования комплексов с межузельными атомами наблюдается линейная рекомбинация носителей заряда, примеси является низкой [7].

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Влияние примесей на излучательную рекомбинацию через центры EL2 в монокристаллах арсенида... 4.2. Введение селена AsGa + X [22,23], которые в процессе термообработки могут менять свой состав по элементу X [23].

После введения атомов селена поверхность кристалРезультаты настоящей работы показывают, что в крилов характеризовалась n-типом проводимости. Диффусталлах с дефицитом по галлию вакансии Ga находятся зия в условиях вакуума приводила к снижению I0.65 вблизи AsGa. В то же время увеличение концентрации в большей степени, чем отжиг образцов без примеси вакансий мышьяка определяет локализацию последних (рис. 1, c, кривые 2, 4). В то же время диффузия Se в вблизи антиструктурных дефектов. Следовательно, возатмосфере As вызывала увеличение I0.65, относительно можным решением вопроса о составе комплексов с значений беспримесного отжига (рис. 1, c, кривые 3, 5).

дефектом AsGa является то, что вероятность их обОба эффекта усиливались с ростом концентрации приразования определяется концентрацией тех или иных меси (NSe) (рис. 2, кривые 5, 6).

точечных дефектов (ТД) в кристалле. Изменение конВ условиях линейной рекомбинации носителей заряцентрации ТД обусловливает изменение в структуре да, когда время жизни n в области легирования Se комплекса AsGa–ТД в пользу доминирующего дефекта соответствовало значениям в ПИН GaAs, из (8) и (11) или отсутствие ТД вблизи AsGa.

следует, что I0.65 NEL2 и изменение I0.65 определяется изменением NEL2.

Увеличение интенсивности излучения через цен- 5. Заключение тры EL2 после диффузии Se в атмосфере мышьяка, 1. Медь является не единственной примесью, вызынаиболее вероятно, вызвано частичным вытеснением атомов As примесью, внедряющейся в подрешетку мы- вающей изменение квантовой эффективности излучения через дефекты EL2 в кристаллах GaAs. Введение акшьяка [9]. При этом вытесненные атомы могут занимать цепторной примеси кадмия приводит к ее снижению в вакансии галлия, образуя антиструктурные дефекты (как кристаллах с дефицитом галлия и не меняет ее величины уже отмечалось, [VGa] увеличивается у поверхности в кристаллах с дефицитом мышьяка. Эффект вызван кристаллов при ТО в атмосфере As).

понижением концентрации изолированных центров ELУменьшение I0.65 в результате диффузии селена при вследствие образования комплексов EL2–CdGa.

ТО в вакууме можно, как в случае с кадмием и медью, 2. Введение донорной примеси селена увеличивает связать со снижением эффективности излучения через квантовый выход излучения через дефекты EL2 в кридефекты EL2 в результате образования комплексов сталлах с дефицитом галлия и снижает его в кристаллах EL2–Se. Действительно, селен диффундирует по узлам с дефицитом мышьяка. Первый эффект наиболее вероятподрешетки As [7] и может образовывать комплексы но обусловлен увеличением концентрации центров ELEL2–SeAs (см. сноску 1). При ТО в вакууме, в результате в результате вытеснения примесью атомов As из подревылета мышьяка, примесь попадает в область кристалла с высокой [VAs] (дефицитом As), и комплексообразова- шетки мышьяка; второй — образованием комплексов EL2–SeAs.

ние обусловлено тем, что вакансии As присутствуют вблизи антиструктурных дефектов AsGa. Последнее воз- 3. Возможным решением вопроса о составе комплекможно, если вероятность рекомбинации между AsGa и сов AsGa–ТД является то, что изменение концентрации VAs (выражение (1)) меньше единицы, т. е. существует ТД (вакансий и межузельных атомов) в кристалле потенциальный барьер для такой рекомбинации.2 обусловливает соответствующее изменение в структуре комплексов в пользу доминирующего дефекта или отсутствие ТД вблизи AsGa.

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.