WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1 Изменение концентрации центров безызлучательной рекомбинации в структурах GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами при обработке в плазме CF4 © Т.С. Шамирзаев¶, А.Л. Соколов, К.С. Журавлев, A.Yu. Kobitski, H.P. Wagner, D.R.T. Zahn Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Institute fur Physik, TU Chemnitz, D-09126 Chemnitz, Germany (Получена 12 марта 2001 г. Принята к печати 25 мая 2001 г.) Изучено влияние низкоэнергетической плазмы CF4 на стационарную фотолюминесценцию и кинетику фотолюминесценции структур GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами. Установлено, что возрастание интенсивности фотолюминесценции квантовых ям, расположенных под областью индуцированных плазмой приповерхностных повреждений, сопровождается повышением времени затухания интенсивности фотолюминесценции при температурах выше 30 K. Показано, что 40-секундная экспозиция структуры в плазме приводит к 30-кратному уменьшению концентрации центров безызлучательной рекомбинации в квантовой яме, лежащей ниже области приповерхностных повреждений.

Сухое травление низкоэнергетической плазмой ши- это возгорание обусловлено пассивацией дефектов — роко используется для селективного удаления масок центров безызлучательной рекомбинации, введенных в с поверхности структур на основе соединений AIIIBV структуру в процессе эпитаксии, в результате образовапри изготовлении низкоразмерных структур и приборов ния комплексов этих дефектов с быстро диффундируюмикроэлектроники. В процессе производства для гаран- щими дефектами, индуцированными плазмой.

тированного удаления маски с поверхности структуры их В данной работе с целью количественной оценки перетравливают, при этом поверхность структуры бом- изменения концентрации центров безызлучательной ребардируется ионами плазмы, что приводит к поврежде- комбинации в квантовых ямах, расположенных глубже нию нижележащих слоев и существенным изменениям области, поврежденной при обработке в плазме, изучена их электрических и оптических свойств [1–12]. Было температурная зависимость пикосекундной кинетики ФЛ установлено, что концентрация дефектов, образующихся в структурах GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами, экспопри экспозиции структур в низкоэнергетической плазме, нированных в низкоэнергетической плазме CF4.

максимальна в приповерхностной области толщиной от Исследуемые в работе структуры GaAs/Al0.3Ga0.7As нескольких десятков до нескольких сотен ангстрем и были выращены методом молекулярно-лучевой эпитакмонотонно спадает в глубину, оказывая влияние на сии на подложке полуизолирующего GaAs ориентаэлектрические свойства слоев, лежащих на расстоянии ции (100). Структуры состояли из 6 квантовых ям, до 1000 от поверхности. Удобный способ для изучения представляющих собой слои GaAs толщиной 2.2, 2.8, дефектов, генерированных в приповерхностной области 3.4, 4.2, 5.6 и 8.5 нм, разделенных барьерами Al0.3Ga0.7As при обработке в плазме, основанный на изучении фотолщиной 25 нм. Толщина квантовых ям возрастала по толюминесценции (ФЛ) структур GaAs/AlGaAs с кванмере увеличения глубины залегания. Для предотвратовыми ямами, расположенными на различной глубищения диффузии примесей и точечных дефектов из не от поверхности структуры, был предложен в рабоподложки в структуру квантовые ямы выращивались тах [13,14]. Было показано, что обработка таких структур на буферном слое, состоящем из слоя GaAs толщинизкоэнергетической плазмой приводит к уменьшению ной 1 мкм и слоя Al0.3Ga0.7As толщиной 0.5 мкм, внуинтенсивности ФЛ из квантовых ям, расположенных в три которого была помещена короткопериодная сверхприповерхностной области структуры, из-за образования решетка GaAs/AlAs. Для предотвращения окисления и диффузии точечных дефектов, являющихся центрами верхнего слоя Al0.3Ga0.7As структура была закрыта слобезызлучательной рекомбинации.

ем GaAs толщиной 10 нм. Обработка производилась в В наших предыдущих работах было обнаружено, что плазме CF4 в течение 40 с при давлении 0.07 Торр, плотобработка структур GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами ности мощности 1 Вт/см2 и потенциале автосмещения, в низкоэнергетической плазме (CF4, Ar, Kr) приводит равном примерно -300 В. Измерения стационарной ФЛ не только к уменьшению интенсивности ФЛ в припопроводились на установке, описанной в работе [10].

верхностной области структуры, но и к ее возгоранию Стационарная ФЛ возбуждалась излучением He-Ne-лав квантовых ямах, расположенных глубже поврежденной зера с длиной волны 632.8 нм и плотностью мощнособласти [10,12]. Было сделано предположение о том, что ти 20 Вт/см2. Коэффициент поглощения для данной ¶ длины волны в GaAs и Al0.3Ga0.7As при 4.2 K равен E-mail: timur@thermo.isp.nsc.ru Fax: 8 (3832) 332771 3 · 104 и 1 · 104 см-1 соответственно, поэтому в использу88 Т.С. Шамирзаев, А.Л. Соколов, К.С. Журавлев, A.Yu. Kobitski, H.P. Wagner, D.R.T. Zahn Кинетика линии ФЛ 6-й квантовой ямы, измеренная при 20 K, для структур до и после обработки в плазме приведена на рис. 2. Видно, что характерные значения времени жизни ФЛ в обеих структурах составляют 600 пс. На рис. 3 приведены температурные зависимости времени затухания ФЛ 6-й квантовой ямы, исходной и экспонированной в плазме структуры. При повышении температуры время затухания ФЛ в исходной структуре повышается незначительно, в то время как в экспонированной структуре время затухания ФЛ сначала при повышении температуры до 150 K возрастает более чем на порядок величины, а затем несколько уменьшается.

Рис. 1. Спектры фотолюминесценции структур до (сплошная линия) и после (штриховая) 40-секундной экспозиции в плазме CF4. Температура измерения T = 6K.

емых структурах в каждой квантовой яме поглощалось 3% возбуждающего излучения, что обеспечивало их однородное возбуждение. Нестационарная ФЛ возбуждалась импульсным лазером на красителе, накачка которого осуществлялась Ar+-лазером с синхронизованными модами. Система возбуждения генерировала импульсы длительностью 20 пс с частотой повторения 4 МГц на длине волны 580 нм, энергия в импульсе составляла 0.2 нДж. Сигнал фотолюминесценции анализировался спектрометром CROMEX 250IS и детектировался стриккамерой Hamamatsu C4334. Временное разрешение си стемы регистрации составляло 50 пс. Образцы помещались в криостат замкнутого цикла типа CTI-Cryogenics.

Рис. 2. Кинетика фотолюминесценции 6-й квантовой ямы Спектры фотолюминесценции структур до и после эксдо (1) и после (2) обработки структуры в плазме. Температура позиции в плазме CF4, измеренные при температуре 6 K, измерения T = 20 K. t — время.

приведены на рис. 1. Спектры состоят из 7 линий, из которых линии с номерами 1–6 соответствуют переходам между первым электронным уровнем и первым уровнем тяжелых дырок (1e-1h) в квантовых ямах различной толщины. Расщепление линий обусловлено флуктуациями ширины квантовых ям [15]. Линия с максимумом 1.515 эВ обусловлена рекомбинацией экситонов в буферном слое GaAs. Из рисунка видно, что в спектре исходной структуры интенсивность ФЛ в 5 первых квантовых ямах приблизительно одинакова, в то время как интенсивность линии ФЛ наиболее удаленной от поверхности структуры 6-й квантовой ямы меньше примерно на порядок величины. Низкая интенсивность ФЛ в 6-й квантовой яме связана, по-видимому, с высокой концентрацией образующихся при росте структуры дефектов, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации. После экспозиции структуры в течение 40 с в низкоэнергетической плазме CF4 наблюдается незначительное уменьшение интенсивности ФЛ ближайшей к поверхности квантовой ямы, а интенсивность ФЛ наиболее Рис. 3. Зависимости времени затухания фотолюминесценудаленной от поверхности квантовой ямы существенно ции 6-й квантовой ямы исходной (1) и экспонированной в возрастает и становится примерно равной интенсивносплазме CF4 (2) структур. Штриховые линии — расчетные ти ФЛ первых 5 квантовых ям.

зависимости.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Изменение концентрации центров безызлучательной рекомбинации в структурах GaAs/AlGaAs... Известно, что время затухания ФЛ в квантовых ямах рекомбинации, nc — отношение произведения конценопределяется соотношением между вероятностями излу- трации электронов и дырок к концентрации экситонов, чательной и безызлучательной рекомбинации свободных Ex — энергия ионизации экситона, EA — энергия темносителей заряда и экситонов. При низких температурах пературной активации безызлучательной рекомбинации, безызлучательная рекомбинация подавлена, а носители p0 — концентрация свободных дырок, me = 0.065mзаряда большей частью связаны в экситоны, поэтому и mh = 0.5m0 — эффективные массы электрона и дырки время жизни ФЛ определяется временем жизни эксито- соответственно.

нов, аннигиляция которых является основным каналом Рассчитанные по формуле (1) температурные зависирекомбинации. При повышении температуры, с одной мости времени затухания ФЛ 6-й квантовой ямы исходстороны — термическая ионизация экситонов привоной и экспонированной структур приведены на рис. 3.

дит к повышению концентрации электронно-дырочных Наилучшее совпадение экспериментальных данных и пар, имеющих время жизни, существенно превышающее расчетных кривых было получено при следующих фиквремя жизни экситонов, с другой стороны — возрастасированных для обеих зависимостей параметрах расчеет вероятность безызлучательной рекомбинации. Следота: Ex = 8мэВ, EA = 90 мэВ, B = 10-10 см2· с-1, вательно, температурная зависимость времени затухаp0 = 5 · 109 см-2, Rs = 1.2 · 1010 с-1, Rx = 1.8 · 109 с-1.

ния ФЛ зависит от концентрации центров безызлучательЗначение параметра R0, пропорционального концентраной рекомбинации в квантовой яме. Так, при пренебреции центров безызлучательной рекомбинации, изменяжимо малой концентрации центров безызлучательной лось от 1.17·109 с-1 в исходной структуре до 4.2·107 с-рекомбинации в квантовой яме повышение температуры в структуре, экспонированной в плазме CF4, что свидеприводит к монотонному возрастанию величины времени тельствует об уменьшении концентрации центров безыззатухания ФЛ от значения, равного времени жизни эксилучательной рекомбинации почти в 30 раз. Необходимо тонов, до значения, равного времени жизни свободных отметить, что полученное значение расчетного параменосителей заряда. Повышение концентрации центров тра Rx хорошо согласуется со значением, приводимым в безызлучательной рекомбинации приводит к тому, что работе [16].

величина времени затухания ФЛ при низких температуАналогичные расчеты, проведенные для температуррах определяется темпом излучательной рекомбинацией ной зависимости времени затухания ФЛ в 5-й квантовой экситонов и электронно-дырочных пар, а при высоких яме, показали, что концентрация центров безызлучатемпературах — темпом их безызлучательной рекомтельной рекомбинации в этой яме при экспонировании бинации. Наконец, при высокой концентрации центров структуры в плазме изменяется не более чем в 2 раза.

безызлучательной рекомбинации время затухания ФЛ Таким образом, в работе изучено влияние обработки во всем диапазоне температур равно времени жизни низкоэнергетической плазмой CF4 на стационарную ФЛ безызлучательной рекомбинации.

и кинетику ФЛ в структурах GaAs/AlGaAs с квантовыми Повышение интенсивности линии ФЛ 6-й квантовой ямами. Показано, что повышение интенсивности ФЛ в ямы в стационарном спектре ФЛ свидетельствует об квантовой яме, лежащей ниже области приповерхностуменьшении концентрации центров безызлучательной ных нарушений, индуцированных плазменной обработрекомбинации в окрестности этой ямы. Для количественкой структуры, сопровождается возрастанием времени ной оценки изменения концентрации этих центров после затухания ФЛ, тем более значительным, чем выше обработки структуры в плазме мы использовали метотемпература измерения. Установлено, что концентрация дику, развитую в недавно опубликованной работе [16].

центров безызлучательной рекомбинации в этой квантоАвторы этой работы получили следующую формулу, вой яме уменьшается почти в 30 раз при 40-секундной связывающую время затухания интенсивности ФЛ ( ) в экспозиции структуры в плазме.

квантовой яме с температурой измерения (T ) и полной вероятностью безызлучательной рекомбинации (Rnr ):

Список литературы (T ) = p0 + nc(T ) p0Rr(T ) +nc(T )Rnr(T ), (1) [1] S.J. Fonash. Sol. St. Technol., 28, 201 (1985).

Rr (T ) =Bnc(T ) +Rx, [2] S.J. Pearton, U.K. Chakrabarti, F.A. Baiocchi. Appl. Phys. Lett., Rnr (T ) =R0 + Rs exp(-EA/kT ), 55, 1633 (1989).

[3] W. Beinstingl, R. Christanell, J. Smoliner, C. Wirner, nc(T ) = memh/(me + mh) (kT / ) exp(-Ex/kT ), E. Gornik, G. Weimann, W. Schlapp. Appl. Phys. Lett., 57, 177 (1990).

где Rr — вероятность излучательной рекомбинации, [4] K.L. Seaward, N.J. Moll, W.F. Stickle. J. Electron. Mater., 19, Rx — вероятность рекомбинации экситонов, B —ко385 (1990).

эффициент излучательной рекомбинации для свободных [5] C. Juang, J.K. Hsu, I.S. Yen, H.S. Shiau. J. Appl. Phys., 72, носителей заряда, R0 — не зависящая от температу684 (1990).

ры вероятность безызлучательной рекомбинации, про- [6] S.J. Yun, S.J. Park, M.C. Paek, J.Y. Lee. J. Electrochem. Soc., порциональная концентрации центров безызлучательной 137, 2634 (1990).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 90 Т.С. Шамирзаев, А.Л. Соколов, К.С. Журавлев, A.Yu. Kobitski, H.P. Wagner, D.R.T. Zahn [7] K. Ohtsuka, T. Ohishi, Y. Abe, H. Sugimoto, T. Matsui. J. Appl.

Phys., 70, 2361 (1991).

[8] К.С. Журавлев, В.А. Колосанов, В.Г. Плюхин, Т.С. Шамирзаев. ЖТФ, 64, 185 (1994).

[9] А.В. Мурель, А.П. Касаткин, В.М. Коган. Изв. РАН. Сер.

физ., 56, 161 (1992).

[10] К.С. Журавлев, В.А. Колосанов, М. Холланд, И.И. Мароховка. ФТП, 31, 1436 (1997).

[11] F. Ren, J.W. Lee, C.R. Abernathy, C. Constantine, C. Barratt, R.J. Shul. Appl. Phys. Lett., 70, 2410 (1997).

[12] К.С. Журавлев, А.Л. Соколов, К.П. Могильников. ФТП, 32, 1450 (1998).

[13] H.F. Wong, D.L. Green, T.Y. Liu, D.G. Lishan, M. Bellis, E.L. Hu, P.M. Petroff, P.O. Holtz, J.L. Merz. J. Vac. Sci.

Technol. B, 6, 1906 (1988).

[14] B.S. Ooi, A.C. Bryce, C.D.W. Wilkinson, J.H. Marsh. Appl.

Phys. Lett., 64, 598 (1994).

[15] C.A. Warwick, W.Y. Jan, A. Ourmazd, T.D. Harris. Appl. Phys.

Lett, 56, 2666 (1990).

[16] S. Jin, A. Li. J. Appl. Phys., 81, 7357 (1997).

Редактор Л.В. Шаронова Reduction in concentration of nonradiative recombination centers in GaAs/AlGaAs quantum well structures after expouse in CF4 plasma T.S. Shamirzaev, A.L. Sokolov, K.S. Zhuravlev, A.Yu. Kobitskii, H.P. Wagner, D.R.T. Zahn Institute of Semiconductor Physics, 630090 Novosibirsk, Russia Institute fur Physik, TU Chemnitz, D-09126 Chemnitz, Germany

Abstract

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.