WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1 Перезарядка центров с глубокими уровнями и отрицательная остаточная фотопроводимость в селективно легированных гетероструктурах AlGaAs / GaAs © В.И. Борисов, В.А. Сабликов, И.В. Борисова, А.И. Чмиль Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 141120 Фрязино, Россия (Получена 14 августа 1997 г. Принята к печати 14 апреля 1998 г.) Исследована кинетика релаксации фотопроводимости селективно легированных гетероструктур AlGaAs / GaAs, связанная с перезарядкой структурных дефектов с глубокими уровнями (EL2- и DX-центров).

Установлено, что фотоиндуцированная перезарядка глубоких центров приводит к накоплению на них как положительного, так и отрицательного зарядов и таким образом вызывает положительную и отрицательную остаточную фотопроводимость. Положительные и отрицательные заряды накапливаются в разных частях гетероструктуры и характеризуются разными временами релаксации, по-разному зависящими от температуры. С этим связан немонотонный характер релаксации остаточной фотопроводимости и немонотонные температурные зависимости. Выяснено, что презарядка EL2-центров приводит к отрицательной остаточной фотопроводимости в области температур 180300 K. При температурах ниже 180 K наблюдается отрицательная фотопроводимость, связанная с возбужденными состояниями DX-центров.

1. Введение изменение их концентрации. Фотопроводимость в СЛГС широко исследуется в последнее время [4–6]. НаибоСтруктурные дефекты с глубокими уровнями, как лее яркие эффекты, связанные с перезарядкой глубоизвестно, оказывают сильное влияние на концентрацию ких уровней, состоят в возникновении отрицательной и подвижность электронов и таким образом в значи- фотопроводимости, которая наблюдается во время осветельной мере определяют электронные характеристики щения, и отрицательной остаточной фотопроводимости полупроводниковых материалов и структур, изготовлен- (ООФП), которая наблюдается после его выключения.

ных на их основе. Механизм этого влияния опреде- Отрицательная фотопроводимость была обнаружена в ляется тем, что на глубоких центрах накапливается структурах с двумерным газом дырок [4] при 4.2 K.

ООФП наблюдалась в СЛГС с двумерными электронами заряд, изменяющий потенциальный рельеф структуры.

при температурах 170300 K [5]. Ее возникновение В эпитаксиальных слоях GaAs и AlGaAs дефекты с связывается с перезарядкой EL2-центров в буферном глубокими уровнями хорошо известны. Это EL2-центры в GaAs и DX-центры в AlGaAs. EL2-центры пред- слое GaAs.

В настоящей работе проводится детальное исследоваставляют собой комплексы дефекта замещения AsGa с ние кинетики релаксации фотопроводимости в СЛГС в акцепторной примесью; они создают глубокий донорный интервале температур (80300 K) и широком диапазоне уровень [1]. Концентрация EL2-центров определяется энергии световых квантов. В результате установлено, что условиями выращивания и термической обработки струкимеются два механизма ООФП. Один из них реализуется тур. EL2-центры обычно присутствуют в структурах, выпри температурах 180300 K. Он связан с перезарядкой ращенных методом химического осаждения из паров меEL2-центров в буферном слое GaAs, которая происходит таллорганических соединений, однако они обнаруживанеоднородно по толщине слоя: в средней части слоя ются и в структурах, выращенных методом молекулярноEL2-центры освобождаются от электронов и накапливапучковой эпитаксии [2]. DX-центры образуются при ется положительный заряд на примесях, ответственный легировании AlGaAs донорными примесями в результате за положительную остаточную фотопроводимость; вблисмещения атома примеси замещения в метастабильное зи границы слоя пространственного заряда с толщей бусостояние [3]. Как DX-, так и EL2-центры характерифера происходит заполнение EL2-центров электронами, зуются чрезвычайно малыми вероятностями теплового вследствие чего возникает ООФП. Второй механизм выброса захваченных на них электронов, и поэтому на ООФП реализуется при температурах 120180 K. Он них может накапливаться значительный неравновесный обусловлен перезарядкой DX-центров в сильно легирозаряд.

ванном n+-AlGaAs.

Цель настоящей работы состоит в исследовании фотоиндуцированных процессов перезарядки глубоких уровней EL2- и DX-центров в селективно легированных 2. Эксперимент гетероструктурах (СЛГС) AlGaAs / GaAs и их влияния на релаксацию фотопроводимости в условиях, когда про- Исследования проводились на СЛГС AlGaAs / GaAs, водимость определяется главным образом двумерными выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии электронами, а перезарядка глубоких уровней вызывает на подложках из полуизолирующего GaAs. Толщины Перезарядка центров с глубокими уровнями и отрицательная остаточная фотопроводимость... и легирование слоев были следующие: нелегированный неоновый лазер ЛГН-207А (h = 1.97 эВ, P 1.5мВт), слой GaAs толщиной 1 мкм с остаточной концентраци- а при измерении спектральных зависимостей испольей мелких акцепторов 1015 см-3; сильно легированный зовался монохроматор МДР-3 (h = 0.622.05 эВ).

слой n+-AlxGa1-xAs (x 0.25) толщиной 50 нм с При использовании светодиода импульсная модуляция концентрацией доноров 1018 см-3; толщина спейсера излучения достигалась за счет питания диода импульс 15 нм. Поверхность образца защищалась от контакта с ным напряжением, а модуляция излучения лазера или окружающей средой тонким ( 50 нм) слоем нелегиро- излучения из монохроматора осуществлялась с помованного GaAs. Концентрация и подвижность двумерных щью электромеханического модулятора. В первом случае электронов при 77 K составляли: n2D 5 · 1011 см-2 и время спада определялось временем выключения диода µ2D 105 см2/В · с. Контакты к образцам изготавлива- (< 1.5мкс), во втором — времена включения и выклюлись вплавлением In в атмосфере водорода, расстояние чения засветки не превышали 1 мс.

между контактами 25 мм.

Типичные кривые кинетики фотопроводимости приПри проведении измерений образцы помещались в ведены на рис. 1 для широкого диапазона температур.

криостат проточного типа, имеющий оптическое окно.

Характерные особенности видны как в процессе измеПосле каждого измерения при низких температурах нения фотопроводимости во время освещения, так и образец нагревался до комнатной температуры, а затем при ее релаксации, в ходе которой знак остаточной медленно (со скоростью 14K/ с) охлаждался для про- фотопроводимости изменяется со временем (t) с поведения следующего измерения.

ложительного на отрицательный. Вид кривых кинетиРелаксация фотопроводимости исследовалась при за- ки фотопроводимости позволяет выделить два интерсветке образца импульсами длительностью от 1мс вала температур: 180300 K (рис. 1, a) и 80180 K до 1 с. В качестве источников излучения использовались (рис. 1, b) — с разными характерными временами релаксветодиод инфракрасного диапазона АЛ-119А (энергия сации. По мере продвижения от комнатной температуры фотона h = 1.33 эВ, мощность P 40 мВт) и гелий- измерения в область низких температур характерное время релаксации фотопроводимости после выключения освещения сильно увеличивается, и при температуре 180 K ООФП практически исчезает. При дальнейшем понижении температуры возникает новый участок ООФП с существенно меньшим характерным временем, которое также сильно увеличивается при охлаждении.

Это указывает на то, что в релаксации проявляются два типа центров захвата. Первые, более глубокие по энергии, определяют релаксацию фотопроводимости при температурах 180300 K, а вторые, более мелкие, — в низкотемпературной области. Судя по величине эффекта ООФП, количество центров второго типа больше, чем первого. Мы установили, что дефектами первого типа являются EL2-центры, а дефектами второго типа, повидимому, являются DX-центры.

3. Перезарядка EL2-центров В области температур 180300 K релаксация фотопроводимости принципиально изменяется в зависимости от энергии световых квантов. Если h меньше ширины запрещенной зоны GaAs, то наблюдается долговременная релаксация фотопроводимости и ООФП (рис. 1, a).

При межзонном поглощении фотопроводимость /релаксирует за малые времена, т. е. остаточная положительная фотопроводимость мала, а амплитуда ООФП практически такая же, как и при примесном поглощении (рис. 2). Это означает, что под действием примесного освещения в некоторой части буферного слоя происходит освобождение EL2-центров от электронов, в результате чего возникает положительная остаточная фотопроРис. 1. Релаксация фотопроводимости в двух температурводимость, а в другой его части, наоборот, EL2-центры ных интервалах. a — T = 292 (1), 250 (2), 200 K (3).

b — T = 160 (4) и 140 K (5). Энергия фотонов h = 1.33 эВ. заполняются электронами. Воздействие межзонным свеФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 70 В.И. Борисов, В.А. Сабликов, И.В. Борисова, А.И. Чмиль освещения. Спектральная зависимость фотопроводимости /0 (рис. 3) качественно коррелирует с изменением сечений фотоионизации EL2-центров, известным из работы [7]. Фотопроводимость возникает при h 0.6 эВ, что, по-видимому, связано с ионизацией неконтролируемых дефектов. При h 0.75 эВ возникают переходы электронов из валентной зоны на EL2-центры, в результате чего на них начинает накапливаться отрицательный заряд и концентрация электронов в квантовой яме уменьшается. При дальнейшем увеличении h происходит сильный рост сечения ионизации EL2-центров с переходом электронов в зону проводимости. Фотоиндуцированные электроны попадают в квантовую яму и увеличивают проводимость. Подобный эффект проявляется и в динамике фотопроводимости во время облучения фотонами с h = 1.33 эВ (рис. 1, a): вслед за увеличением проводимости, связанным с освобождением EL2-центров в средней части слоя пространственного заряда, следует ее спад, обусловленный фотоиндуцированным заполнением EL2-центров электронами на крае слоя пространственного заряда, где равновесное заполнение центров электронами ниже, чем фотоиндуцированное.

Рис. 2. Релаксация фотопроводимости при импульсном примесном h = 1.33 эВ (1) и межзонном h = 1.97 эВ (2) 4. Пространственное распределение освещении. T = 292 K.

фотоиндуцированного заряда EL2-центров Остаточная фотопроводимость обусловлена неравновесными электронами в кавнтовой яме, концентрация которых после выключения освещения определяется неравновесным зарядом на глубоких центрах. Наличие как положительной, так и отрицательной фотопроводимости означает, что на центрах накапливаются положительные и отрицательные заряды в разных областях буферного слоя GaAs. Для того чтобы оценить величину остаточной фотопроводимости и понять кинетику ее релаксации, необходимо знать пространственное распределение фотоиндуцированного заряда EL2-центров по толщине слоя GaAs и энергию активации для его освобождения.

Неравновесная заселенность EL2-центров электронами при освещении определяется двумя факторами: электронными переходами, происходящими непосредственно при примесном поглощении света, и перераспределением электронной проводимости в буферном слое, происходящим вследствие фотоиндуцированного изменения потенциала (рис. 4).

Рис. 3. Спектральная зависимость фотопроводимости.

Распределение заряда в буферном слое мы найдем T = 292 K.

путем решения уравнения Пуассона 2 4e = n(x) +Na - Nt+(x) - p(x), (1) xтом приводит только к заполнению EL2-центров электронами, вследствие чего положительная остаточная фогде n(x) — концентрация электронов, p(x) — концентопроводимость отсутствует.

трация дырок, Na — концентрация мелких акцептоДругой, существенный для выяснения природы рас- ров, Nt+ — концентрация положительно заряженных сматриваемых эффектов факт, относится к спектральной EL2-центров. Nt+ определяется уравнениями кинетики зависимости и кинетике фотопроводимости во время перезарядки, с помощью которых Nt+ выражается через Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Перезарядка центров с глубокими уровнями и отрицательная остаточная фотопроводимость... уровня E1 как Fn + es - Ens = DskBT ln 1 + exp, (5) kBT где Ds — двумерная плотность состояний, а s —потенциал на гетерогранице относительно объема. Толщина d иэнергия E1 определялись согласно модели треугольной квантовой ямы [8].

Граничное условие на левой границе буферного слоя было сформулировано в предположении, что заряд Qs в слое сильно легированного AlGaAs не изменяется при освещении. Это предположение оправдано тем, что в высокотемпературной области долговременная релаксация Рис. 4. Зонная диаграмма структуры.

фотопроводимости связана с перезарядкой EL2-центров в GaAs, а DX-центры в AlGaAs перезаряжаются значительно быстрее.

Результаты расчета показаны на рис. 5. Здесь поконцентрации свободных носителей заряда и поток свеказано пространственное распределение заселенности товых квантов как EL2-центров ft = Ne/Nt в равновесном состоянии (штри-ховые кривые) и при освещении. В расчетах использоваp+ep + cnn Nt+ = N 1 +, (2) ны значения сечений фотоионизации EL2-центров, взяn+en + cpp тые из работы [7]: n = 1.5·10-16 см2 и p = 2·10-17 смпри h = 1.33 эВ, n = 4 · 10-17 см2 и p = 5 · 10-17 смгде n и p — сечения электронных переходов с при h = 1.0 эВ. Коэффициенты захвата и термиEL2-центра в зону проводимости и из валентной зоны ческой эмиссии рассчитывались согласно работе [9] на центр, en и ep — коэффициенты термической эмиссии 1/по формулам: cn = 1.5 · 10-8T exp(-0.066/kBT ), электронов с центра в зону проводимости и дырок в 1/cp = 1.9 · 10-12T, en = 2.83 · 107T2 exp(-0.814/kBT ), валентную зону, cn и cp — коэффициенты захвата.

ep = 3.3 · 104T2 exp(-0.813/kBT ). Здесь коэффициенты Распределение концентраций n(x) и p(x) определяется захвата cn и cp в единицах [см3/c] и коэффициенты условием квазиравновесия (постоянства квазиуровней эмиссии en и ep в единицах [с-1] получаются при подФерми Fn и Fp) поперек буферного слоя. При этом для становке T в [K] и kBT в [эВ]. Использовался световой дырок, а также и для электронов в объеме буферного поток =1017 см-2 · с-1.

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.