WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Наблюдение ловушек неосновных носителей при нестационарной спектроскопии глубоких уровней в диодах Шоттки с высоким барьером и компенсированной приконтактной областью © Е.Н. Агафонов, У.А. Аминов, А.Н. Георгобиани¶, Л.С. Лепнев Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Получена 29 мая 2000 г. Принята к печати 1 июня 2000 г.) Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней исследовались диоды Шоттки на основе монокристаллического селенида цинка n-типа, полученные после ионной имплантации азота и постимплантационной обработки методом радикало-лучевой эпитаксии в атомарном кислороде. На этом примере в приближении высокого барьера Шоттки и компенсированной приконтактной области проанализированы процессы, приводящие к наблюдению в исследуемых структурах ловушек неосновных носителей заряда при отрицательных напряжениях смещения. Представлена методика определения толщины компенсированной области и концентрации ловушек неосновных носителей заряда в ней. На основании результатов нестационарной спектроскопии глубоких уровней и измерений фотолюминесценции описаны механизмы дефектообразования в кристаллах селенида цинка при отжиге в атомарном кислороде.

Одним из перспективных методов изменения состава и обработки экспериментальных зависимостей, рассчисобственных дефектов в кристаллах AIIBVI является тывать распределение ”мелкой” примеси, концентрации, радикало-лучевая геттерирующая эпитаксия, в основе энергии, сечения захвата и границы заполнения для которой лежит отжиг кристаллов в предварительно ак- глубоких примесей. При измерениях образцы помещативированных парах халькогена [1]. При этом дефект- лись в криостат, в котором нагревались от температуры ный состав материала изменяется по мере удаления от жидкого азота со скоростью менее 4 K/мин. Чувствительобработанной поверхности в глубину кристалла. ность используемого в эксперименте емкостного моста В настоящей работе проведено исследование полу- C/C < 10-4.

ченных таким образом структур на основе селенида На рис. 1 изображены CV-характеристики некоторых цинка методом нестационарной спектроскопии глубоких из исследованных образцов, отличающихся температууровней (DLTS). Для идентификации образовавшихся рами обработки в кислороде (TO) и концентрациями дефектов дополнительно были использованы спектры внедренного азота ([N]). Барьер на границе металл– фотолюминесценции (ФЛ). полупроводник оказался необычно высоким — для больИсходным материалом исследованных нами образцов является низкоомный монокристаллический ZnSe n-типа, отожженный в расплаве цинка. Из этих кристаллов были вырезаны пластины размером 6 4 1мм3. После механической шлифовки и полировки они были протравлены в химическом полирующем травителе — бром в метаноле.

Имплантация азота проводилась в ФИАНе последовательно с энергиями и с дозами, обеспечивающими однородную концентрацию примеси 1019, 1020 и 1021 см-3 в слоях толщиной 400 нм. Постимплантационная обработка кристаллов проводилась в потоке атомов кислорода в температурном интервале от 400 до 700C методом радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии. Атомарный кислород был образован высокочастотным разрядом при давлении 10-1-10-3 мм рт. ст., интенсивность потока составляла 1017 см2/c.

Измерения вольт-фарадных (CV) характеристик и спектров DLTS образцов осуществлялись при помощи установки, состоящей из ЭВМ и блоков CAMAC, свяРис. 1. Зависимости емкости образцов ZnSe : N от приложензанных с высокочастотным емкостным мостом. Она поного напряжения. Концентрация внедренного азота [N], см- зволяет полностью автоматизировать процесс измерения и температура обработки образцов в кислороде TO, C:

1 — [N]= 1019, TO = 700; 2 — [N]= 1020, TO = 600;

¶ E-mail: georg@sci.lebedev.ru 3 — [N]= 1019, TO = 600; 4 — [N]= 1020, TO = 700.

Наблюдение ловушек неосновных носителей при нестационарной спектроскопии... Рис. 2. Спектры DLTS кристаллов ZnSe : N, отожженных в радикалах кислорода. Обозначения [N] и TO — то же, что и на рис. 1:

1 — [N]= 1019, TO = 600; 2 — [N]= 1019, TO = 700; 3 — [N]= 1020, TO = 400; 4 — исходный монокристалл.

шинства образцов его высота составляла 2–2.5 эВ. Со- а значит, они не вносят вклада в изменение емкости гласно литературным данным [2], высота барьера Шот- образца и не наблюдаются при измерениях.

тки Au–ZnSe n-типа проводимости составляет 1.4 эВ. Одной из причин появления положительных пиков в Обсуждение этого результата будет проведено далее. спектрах DLTS диодов Шоттки может являться высокое Измеренная концентрация мелких доноров в образцах последовательное сопротивление материала [13]. При находилась в пределах 1017-1018 см-3 на расстояниях от измерении емкости диода Шоттки емкостным мостом контакта не менее 60 нм. его измеренная Cm и действительная C емкости связаны Спектры DLTS некоторых образцов представлены на соотношением рис. 2. Во всех образцах, в том числе исходных Cm =, (1) и отожженных в кислороде без предварительной имC (1 + r/R)2 +(rC)плантации, наблюдались пики E1 (0.2 эВ) и E2 (0.3 эВ).

В спектрах образцов, отжигавшихся в кислороде при где R — сопротивление барьера Шоттки, r — последотемпературе 600C и выше, наблюдается также положи- вательное сопротивление (материала диода, проводов и тельный пик H1 при 200–250 K. Соответствующая ему т. д.), — частота измерительного сигнала. Зависимость измеренная энергия активации оказалась равной 0.6 эВ.

Cm от C не является монотонной и имеет максимум Ловушки E1 и E2 неоднократно наблюдались ранее и при rC = 1 + r/R, т. е. при условии rC > 1 + r/R описаны в литературе: первую связывают с комплексами, приращения величин Cm и C имеют противоположные содержащими дефекты VSe, Zni, и с примесями [3–5], а знаки, что соответствует инверсии знаков пиков в наблювторая, как правило, приписывается VSe [6–11].

даемых спектрах DLTS. Кроме того, уменьшение емкости Как известно [12], ловушки неосновных носителей C при увеличении области обеднения сопровождается сомогут наблюдаться за счет их инжекции в спектрах кращением размеров остальной части диода, а значит, и DLTS p-n-переходов при положительных напряжени- уменьшением последовательного сопротивления r. Это ях смещения. В наших экспериментах использовались также может привести к изменению знака сигнала DLTS только отрицательные напряжения смещения. Тем не при наблюдении.

менее положительные пики DLTS наблюдались на всех С целью проверки этих условий инверсии пика нами образцах, отожженных при температурах 600C и выше. были измерены вольт-амперные и вольт-фарадные хаСледовательно, релаксация емкости в наших образцах не рактеристики всех образцов при различных температуописывается моделью p-n-перехода. рах. Анализ вольт-амперных характеристик показал, что Появление в спектре DLTS диода Шоттки пика, свя- последовательное сопротивление образцов, отожженных занного с ловушками неосновных носителей заряда, не при температурах 600C и выше, действительно больше, описывается стандартной моделью релаксации его емко- чем у отожженных при более низких температурах. Одсти. Действительно, в этой модели зарядовое состояние нако измеренные значения емкости и последовательного таких ловушек при приложении заполняющего импульса сопротивления не соответствуют выполнению условия к барьеру иприпоследующейрелаксациине изменяется, rC > 1 + r/R ни на одном кристалле. Изменение 4 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 50 Е.Н. Агафонов, У.А. Аминов, А.Н. Георгобиани, Л.С. Лепнев величины r при заполнении и опустошении глубоких уровней также оказалось достаточно малым и не могло привести к инверсии спектра DLTS. Таким образом, учет последовательного сопротивления диода не объясняет появления положительного пика DLTS в спектрах наших образцов.

Как упоминалось выше, барьер на контакте Au–ZnSe был аномально высоким, что обусловлено, по всей видимости, образовавшимися при обработке поверхностными состояниями [14]. Наличие высокого барьера позволяет по аналогии с работой [15] предположить возможность проявления в спектрах DLTS изучаемых диодов Шоттки ловушек неосновных носителей заряда. В то же время следует учесть, что исследуемые нами структуры, полученные методом радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии, имеют состав дефектов, изменяющийся по мере удаления от обработанной в радикалах поверхности в глубину кристалла [16]. Сопротивление всех диодов, измеренное при высоком прямом напряжении смещения, значительно превышало сопротивление их необработанной области, что указывает на наличие высокоомного слоя вблизи контакта. Это дает основания предложить в качестве возможного варианта для анализа процессов релаксации емкости в исследованных структурах зонную диаграмму барьера Шоттки с компенсированной приконтактной областью, изображенную на рис. 3.

Разделим приконтактную область полупроводника на две части: ”компенсированную” 0 < x < w0 и ”некомпенсированную” x > w0. Концентрацию мелкой примеси, не изменяющей своего зарядового состояния Рис. 3. Зонная диаграмма диода Шоттки с высоким барьером, при изменении напряжения смещения, обозначим N в донорным Er и акцепторным EA глубокими уровнями и комобласти 0 < x < w0 и N0 в области w0 < x < w. Конценпенсированной приконтактной областью (a —заполняющий трации глубоких акцепторных примесей обозначим NA импульс, b — последующая релаксация, c — стационарное при 0 < x < w0, NA0 при w0 < x < w и донорных — состояние).

NT, а их границы заполнения — x1 и x2 соответственно (рис. 3, c). Решая уравнение Пуассона для такого барьера и подставляя значения потенциалов Зависимость релаксации емкости от времени имеет вид V|x=x1 = V1 и V|x=x2 = V2, C(t) [NA(x 12 - x2) exp(-ept) определяемые по известным напряжению смещения Vb, 8w3(N0 - NA0) ширине запрещенной зоны и энергиям глубоких уровней, получим - NT (x2 - x 22) exp(-ent)], (3) q V1 = Vb - {(N0 - NA0)(w - x1)2 + NT (x2 - x1)2 где w = 2Vb/q(N0 - NA0), ep и en — скорости эмиссии носителей с глубоких акцеп+[(N - NA) - (N0 - NA0)](w0 - x1)2}, торного и донорного уровней. Слагаемые в (3), соответствующие вкладу глубоких донорных и акцепторных x2 = w - (Vb - V2), состояний, имеют разные знаки. Релаксация акцепторных q(N0 - NA0) состояний ведет к уменьшению емкости диода, донор2 NA ных — к увеличению ее. В зависимости от соотношения w2 = Vb - xq(N0 - NA0) (N0 - NA0) этих вкладов она после изменения напряжения смещения может в разные промежутки времени увеличиваться или (N - NA) - (N0 - NA0) NT уменьшаться.

- w2 - x2, (2) 0 (N0 - NA0) (N0 - NA0) Упростим выражения (2), воспользовавшись приблигде q — заряд электрона, — диэлектрическая прони- жениями x2 w2, x2, w2 и NT, N-NA, NA0 N0, допусти1 0 цаемость полупроводника. мыми вследствие компенсированности приконтактной Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Наблюдение ловушек неосновных носителей при нестационарной спектроскопии... по формуле CA(0) =/(8w3N0)NA(x 12 - x2) определить правильное значение концентрации акцепторных состояний NA. Полученные по предлагаемой методике результаты для образца, отожженного в кислороде при температуре 700C после имплантации азотом с дозой 1020 см-3, приведены в таблице.

В работе были также проведены измерения спектров ФЛ при температурах 77 и 4.2 K. Возбуждение осуществлялось при помощи азотного лазера на длине волны 337.1 нм. Отличительной особенностью данных образцов является тот факт, что линий экситонов цинка в соответствующем спектральном диапазоне 360–390 нм [17,18] обнаружено не было, т. е. слой оксида цинка на поверхности кристаллов в процессе обработки в кислороде не образовался.

Некоторые из спектров ФЛ представлены на рис. 4 и 5.

Литературные данные [19–22] позволяют интерпретировать линию 444 нм как излучение экситона, связанного на мелком акцепторном уровне NSe, а линию 446 нм как излучение экситона, связанного на более глубоком акцепторе — вакансии цинка. Полоса 460 нм связывается с излучением донорно-акцепторных пар [21–23].

В более длинноволновой области спектра наблюдаются Рис. 4. Спектры фотолюминесценции для отожженных в активированных парах кислорода монокристаллов ZnSe : N, измеренные при температуре 4.2 K. Обозначения TO и [N] то же, что и на рис. 1: a — TO = 400; [N], см-3: 1 —1019, 2 —1020, 3 —1020. b — TO = 500; [N], см-3: 1 —1019, 2 —1021.

c — TO = 600; [N], см-3: 1 —1019, 2 —1021. d — TO = 700;

[N], см-3: 1 —1019, 2 —1021.

области и низкоомности исходного монокристалла:

Vx1 =, qN0 Vb + w2 - wqN0 2 x2 = Vb + w2 - (Vb - V2), qN0 0 qNw = Vb + w2. (4) qN0 Подстановка в (4) значения x2, определенного экспериментально по пику DLTS от ловушек основных носителей заряда, позволяет рассчитать w0, x1 и x 1.

Теперь учтем, что значения глубин заполнения и концентрации акцепторных центров рассчитываются проРис. 5. Спектры фотолюминесценции отожженных в активирограммой обработки экспериментальных данных, исходя ванных парах кислорода монокристаллов ZnSe : N, измеренные из измеряемой величины амплитуды релаксации емкости при температуре 77 K. Обозначения [N] и TO то же, что и на и предположения, что все перезаряжающиеся глубокие рис. 1: a — [N]= 1019; TO, C: 1 — 400, 2 — 500, 3 — 600, уровни в диоде Шоттки являются ловушками основных 4 — 700. b — [N]= 1020; TO, C: 1 — 400, 2 — 500, 3 — 600, носителей. Использование этих величин позволяет полу4 — 700. c — [N]= 1021; TO, C: 1 — 400, 2 — 500, 3 — 600, чить значение амплитуды релаксации емкости, а затем 4 — 700.

4 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 52 Е.Н. Агафонов, У.А. Аминов, А.Н. Георгобиани, Л.С. Лепнев [9] G. Karczewski, W. Hu, A. Yin, H. Luo, J.K. Furdyna. J. Appl.

Уровень Энергия, Границы заполне- Концентрация, Phys., 75, 7382 (1994).

эВ ния, нм см-[10] W.B. Leigh, B.W. Wessels. J. Appl. Phys., 55, 1614 (1984).

E2 0.36 195-305 9 · [11] Y. Shirakawa, H. Kukumoto. J. Appl. Phys., 51, 5859 (1980).

H1 0.67 26-15 3 · [12] D.V. Lang. J. Appl. Phys., 45, 3023 (1974).

[13] Е.В. Астрова, А.А. Лебедев, А.А. Лебедев, ФТП, 19, Примечание. Концентрация мелкой примеси — 5 · 1017 см-3; длина (1985).

компенсированной области — 130 нм. Область пространственного за[14] С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, ряда составляет 280 и 390 нм при напряжениях 0 и 3 В соответственно.

1984) кн. 1.

[15] L. Stolt, K. Bohlin. Sol. St. Electron., 28, 1215 (1985).

две полосы излучения: 550 и 630 нм (рис. 5). Полосу [16] А.Н. Георгобиани, М.Б. Котляревский, В.В. Кидалов, 630 нм связывают с донорно-акцепторным комплексом, А.А. Георгобиани, И.В. Рогозин. Неорг. матер., 29, (1993).

содержащим двухзарядную вакансию цинка [19,24,25].

[17] И.П. Кузьмина, В.А. Никитенко. Окись цинка: получение Проведенные измерения позволяют предположить, что и оптические свойства (М., Наука, 1984).

глубокий акцепторный уровень, обнаруженный методом [18] S. Miyamoto. Jap. J. Appl. Phys., 16, 1129 (1978).

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.