WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Концентрационная зависимость краевой фотолюминесценции полуизолирующего нелегированного GaAs © В.Ф. Коваленко, М.Б. Литвинова, С.В. Шутов Инcтитут физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 73008 Херсон, Украина (Получена 2 октября 2000 г. Принята к печати 4 июня 2001 г.) Изучены зависимости спектрального положения максимума полосы краевой фотолюминесценции, ее полуширины, удельного сопротивления, подвижности носителей заряда в кристаллах полуизолирующего нелегированного GaAs от концентрации углерода NC при 77 K (3.0 · 1015 NC 4.3 · 1016 см-3).

Наблюдаемые зависимости объяснены характером взаимодействия носителей заряда с ионизированными атомами примесей и со структурными дефектами.

Интерес к исследованию полуизолирующего неле- с hm 1.495 и I1.51 — интенсивность исследуемой гированного (ПИН) GaAs обусловлен использованием полосы краевого излучения с hm 1.510 эВ.

его при производстве интегральных схем, СВЧ прибо- Удельное сопротивление кристаллов при 300 K изров. Кристаллы ПИН GaAs содержат от 2 · 1014 до меряли двухзондовым методом, подвижность основных 3 · 1016 см-3 атомов углерода [1–3]. Углерод является носителей заряда µ определяли из измерений коэффициосновной фоновой примесью, играющей важную и не- ента Холла при 300 K. Тип проводимости определяли по однозначную роль в формировании электрофизических знаку термоэдс.

свойств кристаллов. С одной стороны, уменьшение его Спектры ФЛ образцов при 77 K измеряли на устаконцентрации (NC) приводит к увеличению подвижности новке СДЛ-1 в интервале длин волн 0.8–1.2 мкм. Исэлектронов [3]. С другой стороны, атомы углерода, зани- точником возбуждения ФЛ служил аргоновый лазер мая узлы мышьяка и являясь мелкими акцепторами, уча- ( = 0.488-0.514 мкм) с интенсивностью возбуждаюствуют в формировании полуизолирующих свойств мате- щего излучения I0 = 3 · 1021 см-2 · с-1. Фотоприемником риала, обеспечивая электрическую компенсацию мелких служил фотоэлектронный умножитель ФЭУ-62.

(Si, S) [4] и глубоких (EL2) [1,2] доноров, что заставляет Концентрацию глубоких донорных центров EL2 в криподдерживать концентрацию углерода на уровне, соот- сталлах определяли из измерений при 300 K оптического ветствующем уровню загрязнения материала донорными поглощения в диапазоне 1.0–1.2 мкм с помощью спекпримесями и дефектами. трофотометра СФ-26. В исследованных образцах конРанее изучение краевой фотолюминесценции (ФЛ) центрация этих центров не зависела от NC и составляла кристаллов ПИН GaAs, связываемой с аннигиляцией NEL2 (1-2.5) · 1016 см-3.

= экситонов и прямой рекомбинацией свободных электронов и дырок [5,6], ограничивалось исследованиями криЭкспериментальные результаты сталлов с тем или иным конкретным значением NC [1].

Между тем возникновение и усиление межпримесноСпектр ФЛ исследованных кристаллов содержал пого взаимодействия и возрастание роли рассеяния при лосу краевого излучения и более длинноволновую, отувеличении концентрации углерода в указанных предестоящую от краевой на 15–17 мэВ, полосу меньшей лах может приводить к изменению характеристик ФЛ.

интенсивности, связанную с участием в излучательных Поэтому представляет интерес исследование краевой переходах центров CAs [1]. На рис. 1 представлена форма ФЛ во взаимосвязи с электрофизическими свойствами спектра излучения кристаллов с различной концентрацив широком интервале изменения концентрации углерода.

ей атомов углерода, а на рис. 2 — зависимости энергии В настоящей работе приведены результаты такого максимума hm и полуширины W краевой полосы от NC.

изучения.

С ростом концентрации углерода в кристаллах с NC 1.4 · 1016 см-3 наблюдалось незначительное возрастание hm в интервале 1.509-1.510 эВ;

Методика эксперимента при NC > 1.4 · 1016 см-3 происходило существенИсследования зависимостей энергии максимума hm и ное уменьшение энергии максимума до значеполуширины W полосы краевой ФЛ от содержания угле- ния hm 1.507 эВ при NC 3 · 1016 см-3; в интервале = = рода проводили на выращенных методом Чохральского 3 · 1016 < NC 4.3 · 1016 см-3 имело место некоторое специально не легированных кристаллах GaAs, в кото- повышение hm. С увеличением концентрации углерода рых концентрация этой примеси изменялась в интервале полуширина полосы непрерывно возрастала от 3 · 1015 NC 4.3 · 1016 см-3. Величину NC оценивали W 6.5 мэВ в наиболее чистых кристаллах до = по калибровочной зависимости I1.49/I1.51 = f (NC) [7], W 15 мэВ в кристаллах с наибольшим содержанием = где I1.49 — интенсивность ”углеродной” полосы ФЛ углерода за счет расширения преимущественно в низкоКонцентрационная зависимость краевой фотолюминесценции полуизолирующего... энергетическую область и в меньшей степени — в высокоэнергетическую область. Как видно из рис. 2, смещение hm в низкоэнергетическую область с ростом NC сопровождается более существенным увеличением W.

Электрофизические свойства исследованных кристаллов также зависели от содержания углерода. Кристаллы с NC 3 · 1016 см-3 имели электронный тип проводимости, а с NC > 3 · 1016 см-3 — дырочный.

На рис. 3 приведены зависимости удельного сопротивления и подвижности µ от содержания углеРис. 3. Зависимость удельного сопротивления (1) и подвижности носителей заряда (2) от концентрации углерода. T = 300 K.

рода. В кристаллах с NC 2 · 1016 см-3 удельное сопротивление не зависело от NC и составляло 5 · 107-5 · 108 Ом · см. С увеличением концентрации = углерода в интервале NC > 2 · 1016 см-3 уменьшалось до 102 Ом · см. Подвижность электронов уменьшалась от µ 6500 см2/В · с в наиболее чистых кристаллах = до µ 0 при NC (2.5-3) · 1016 см-3, при этом = = наиболее значительное уменьшение подвижности имело место в интервале 1.3 · 1016 < NC 2.5 · 1016 см-3, в котором происходило уменьшение hm. В кристаллах с NC > 3 · 1016 см-3 наблюдалось некоторое возрастание подвижности дырок с ростом NC (µ 500 см2/В · с при = Рис. 1. Cпектры ФЛ кристаллов с различной концентрацией NC 4.3 · 1016 см-3).

= углерода NC. T = 77 K, NC, см-3: 1 —4 · 1015; 2 —1.4 · 1016;

3 —3 · 1016.

Обсуждение результатов Положение максимума hm 1.509 эВ в наиболее = чистых кристаллах свидетельствует о том, что наблюдаемая полоса излучения в них не связана с аннигиляцией экситонов, поскольку разница Eg-hm меньше энергии связи экситона [8]. С другой стороны, ширина полосы в этих кристаллах характерна для экситонной излучательной рекомбинации. Эти особенности краевой ФЛ могут быть объяснены следующим образом. Согласно [9], в прямозонных полупроводниках при межзонных излучательных переходах невырожденных электронов и дырок без учета их взаимодействия и рассеяния теоретическая ширина полосы излучения должна быть равной 1.8kT, а энергия максимума — близкой к Eg. При наличии кулоновского взаимодействия межзонную люминесценцию следует рассматривать как результат аннигиляции экситонов, находящихся в состояниях непрерывного спектра. Взаимодействие рекомбинирующих носителей заряда при этом приводит к уменьшению ширины полосы до 0.7kT и сдвигу ее максимума в длинноволновую область на величину, меньшую энергии связи свободного экситона. Рассеяние рекомбинирующих электронов и дырок, обусловливающее вклад в излучение непрямых переходов, при наличии кулоновского взаимодействия дает значения W, промежуточные между приведенными Рис. 2. Зависимость энергии максимума hm и полуширины W полосы краевой ФЛ от концентрации углерода. T = 77 K. выше.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 176 В.Ф. Коваленко, М.Б. Литвинова, С.В. Шутов Близость наблюдаемых величин W в наиболее чистых равной 4.8±0.5 мэВ, расчетной величине подтверждает кристаллах к теоретическому значению полуширины правильность вывода о механизме излучательных пере W 0.7kT позволяет предположить о преимуществен- ходов.1 Тенденция к возрастанию энергии максимума = ном вкладе в формирование полосы краевого излучения hm и стабилизация ширины W полосы краевого излучепереходов взаимодействующих носителей заряда, нахо- ния с увеличением концентрации углерода в интервале дящихся в состояниях разрешенного спектра. Увеличе- NС > 3 · 1016 см-3, в котором кристаллы приобретание hm и W при возрастании концентрации углерода ли проводимость p-типа и становились низкоомными, в интервале NC 1.4·1016 см-3 связано, по нашему мне- обусловлена, по-видимому, возрастанием экранирования примесного потенциала свободными дырками с конценнию, во-первых, с экранированием примесными атомами трацией p0 и изменением в результате этого парамевзаимодействия электронов и дырок и увеличением доли тров потенциальных ям. Оценка радиуса экранировамежзонных переходов невзаимодействующих носителей, во-вторых, с увеличением вклада непрямых излучатель- ния дырками r0, проведенная при NС = 4 · 1016 см-3, ных переходов, обусловленных рассеянием на ионизи- NEL2 = 2 · 1016 см-3, p0 = 2 · 1016 см-3 по формуле [10] рованных атомах примесей. Последнее обстоятельство 1/N подтверждается расширением полосы в коротковолноr0 =, вую область в указанном интервале увеличения NC.

p2/Наиболее вероятной причиной изменения hm дает значение r0 5 · 10-6 см, практически совпа= и W с ростом концентрации углерода в интервале дающее с радиусом примесного экранирования ri при NC > 1.4 · 1016 см-3 является участие в излучательных NС = 3 · 1016 см-3. Это обстоятельство подтверпереходах состояний ”хвостов”, образованных у краев ждает предположение об изменении характера экраразрешенных зон и обусловленных флуктуациями нирования в этой области концентрации углерода.

суммарной концентрации N электрически активных В этой связи нетрудно предугадать характер зависипримесей и дефектов (CAs, SiGa, EL2 и др.). Известмости hm(NС) с увеличением концентрации углерода но [10], что в слабо легированных полупроводниках при NС > 4.3 · 1016 см-3. Возрастание концентрации при сильной компенсации неоднородное распределение свободных дырок p0 обусловит полное экранирование примесей в объеме обусловливает крупномасштабные флуктуаций примесного потенциала (r0 0), что флуктуации примесного потенциала в силу слабого приведет к увеличению энергии максимума спектра до экранирования свободными носителями заряда из-за их значения hm 1.510 эВ и отсутствию зависимости ее = низкой концентрации.

от концентрации углерода с дальнейшим увеличением Мы полагаем, что в исследованных в настоящей рапоследней, характерным для низкоомных кристаллов боте высокоомных кристаллах параметры хвостов плотGaAs при малых и средних уровнях легирования [9].

ности состояний — глубина потенциальных ям и их В заключение отметим, что наличие в исследованмасштаб r — определяются экранированием не своных кристаллах ПИН GaAs флуктуаций примесного бодными электронами, концентрация которых на много потенциала позволяет также связать резкое снижение порядков меньше N, а примесями и дефектами при их подвижности электронов с увеличением концентрации коррелированном распределении.

углерода в интервале NС 1.4 · 1016 см-3 с возрастаниОценки параметров r и с учетом примесного экраем эффективности рассеяния на скоплениях атомов по нирования, приведенные при NC = 3 · 1016 см-3 и сравнению с рассеянием на отдельных ионизированных NEL2 = 2 · 1016 см-3 (что соответствует минимальному примесных атомах.

значению hm) по формулам [10] kT Список литературы ri =, 4Ne[1] К.Д. Глинчук, В.И. Гурошев, А.В. Прохорович. Оптоэлекeтрон. и полупроводн. техн., вып. 24, 66 (1992).

= Nr, [2] M. Suemitsu, M. Nishijima, N. Miyamoto. J. Appl. Phys., 69, 7240(1991).

дают значения ri 4 · 10-6 см и 5.3мэВ.

= = [3] M.W. Duncan, G.H. Westphal, A.J. Purdes. J. Appl. Phys., 66, При таких параметрах потенциальных ям условие 2430 (1989).

локализации /m · r2 хорошо выполняется для [4] Ю.Н. Большева, М.А. Ильин, А.В. Марков. Высокочистые дырок и плохо — для электронов, из чего следует, вещества, № 4, 210 (1989).

что в интервале NC > 1.4 · 1016 см-3 краевая полоса [5] М.И. Калинин, М.Т. Лисица, Ф.В. Моцный. УФЖ, 37 (3), связана главным образом с рекомбинацией нелокализо330 (1992).

ванных электронов с дырками, локализованными в хвоВ оценке имеется неоднозначность, обусловленная различием стах валентной зоны. Удовлетворительное соответствие численных коэффициентов в приводимой в различных работах формуле разницы между шириной запрещенной зоны GaAs при eдля. Так, оценка по формуле [9]: = N · r дает значение 77 K (Eg = 1.5115 эВ [11]) и измеренным значением 9 мэВ, что несколько ухудшает соответствие между расчетным и = hm при NС 3 · 1016 см-3 (hm = 1.5067±0.0005 эВ), измеренным значениями, но не исключает его.

= Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Концентрационная зависимость краевой фотолюминесценции полуизолирующего... [6] М.И. Калинин, М.Т. Лисица, Ф.В. Моцный. УФЖ, 37 (4), 528 (1992).

[7] К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрельчук. Оптоэлектрон. и полупроводн. техн., вып. 32, 61 (1997).

[8] В.С. Багаев, Л.И. Падучих, Т.С. Сахоненко. Экситоны в полупроводниках. (М., Наука, 1971) с. 54.

[9] А.П. Леванюк, В.В. Осипов. УФН, 133 (3), 427 (1981).

[10] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства легированных полупроводников (М., Наука, 1979).

[11] E. Grilli, M. Grilli, R. Zambani, L. Paussi. Phys. Rev. B, 45, 1638 (1992).

Редактор Л.В. Беляков The concentration dependence of near-band-edge photoluminescence of undoped semi-insulating GaAs V.F. Kovalenko, M.B. Litvinova, S.V. Shutov Institute for Physics of Semoconductors, National Academy of Sciences, 73008 Kherson, Ukraine

Abstract

The spectral position of the near-band-edge photoluminescence maximum, full width at half maximum, resistivity, charge carriers mobility dependencies on carbon content in undoped semiinsulating GaAs crystals at 77 K are studied. The observed dependencies are attributed to the nature of interaction of charge carriers with ionized impurity atoms and structure defects.




© 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.