Экситонная фотолюминесценция арсенида галлия высокой степени чистоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

Полетаев Николай Константинович

ЭКСИТОННАЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ВЫСОКОЙ СТЕПЕНИ ЧИСТОТЫ

(01.04.10 - физика полупроводников)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2006

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Жиляев Юрий Васильевич. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Пихтин Александр Николаевич, кандидат физико-математических наук Брунков Павел Николаевич.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный

университет.

Защита диссертации состоится " 9 " г.

в " У часов на заседании диссертационного совета К 002.205.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194223, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан " 3 " г.

Ученый секретарь '.'.•■„ .

' . |

диссертационного совета К 002.205.02 кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Широкое применение полупроводниковых материалов в быстро развивающихся сегодня областях электронной техники выдвигает задачи изучения физических закономерностей и явлений в полупроводниковых кристаллах. В частности, актуальной является задача получения эпитаксиальных слоев высокой степени чистоты, которая представляет как научный, так и практический интерес.

Эпитаксиальный СаАя находит широкое применение в оптоэлектронных приборах, СВЧ технике и детекторах рентгеновского излучения, для которых требуется материал высокой степени чистоты Г4а не более 1013 см"3). Определение параметров такого материала с помощью электрофизических измерений сталкивается с серьезными трудностями.

Фотолюминесценция СаАв вблизи краевой области на сегодняшний день достаточно хорошо изучена и может быть положена в основу методики определения параметров эпитаксиальных слоев арсенида галлия высокой степени чистоты. Форма спектра низкотемпературной экситонной фотолюминесценции (НТЭФЛ) и характер затухания интенсивности спектральных линий во времени содержат информацию не только о примесных центрах, участвующих в излучательных переходах, но и о центрах, не связанных с излучательной рекомбинацией. Это позволяет использовать спектры НТЭФЛ арсенида галлия для сравнительного анализа качества материала и количественных оценок параметров, определяющих свойства приборов на его основе (концентрация свободных носителей и их подвижность). Этой задачей и определяется актуальность темы данной работы.

Цель данной работы — экспериментальное изучение люминесценции чистых эпитаксиальных слоев ¿аАв с целью применения результатов для диагностики качества эпитаксиальных слоев СаА$ высокой степени чистоты и количественных оценок электрофизических параметров материала с помощью анализа спектров НТЭФЛ. Выяснение физической природы дефектов, снижающих электрофизические параметры материала, и определение причин появления таких дефектов.

Научная новизна:

Проведенные нами исследования позволили установить, что изменение электрофизических свойств чистого арсенида галлия вызвано теми же причинами, которые приводят к трансформации спектра низкотемпературной экситонной фотолюминесценции.

На электрофизические свойства эпитаксиальных слоев арсенида галлия существенное влияние оказывают центры захвата дырок, ответственные за длительное послесвечение двух спектральных линий: экситона, связанного на нейтральном доноре (О0х), и излучательного

перехода донор-зона (В°Ь). Увеличение концентрации таких центров в материале приводит к снижению подвижности свободных носителей. Основные результаты работы:

Фотолюминесцентные и электрофизические исследования эпитаксиальных слоев арсенида галлия высокой степени чистоты показали, что:

• монотонное изменение электрофизических характеристик ваАв (концентрации мелкой примеси и подвижности свободных электронов) сопровождается плавной трансформацией спектра НТЭФЛ.

• по мере уменьшения концентрации примеси и увеличения подвижности основных носителей в спектрах низкотемпературной фотолюминесценции (Т=2К) происходит относительное увеличение интенсивности свободного экситона по сравнению с экентоном, связанным на нейтральном доноре.

• полное доминирование линии свободного экситона в спектре низкотемпературной фотолюминесценции арсенида галлия наступает при концентрации мелких доноров ГЧо-1ЧА»1012 см"3 и подвижности свободных электронов ц,(т-77К) «200000 см2/В с.

• с уменьшением концентрации примеси и увеличения подвижности основных носителей происходит понижение эффективной температуры свободных экситонов, увеличение их диффузионной длины и времени жизни.

Исследование аномально длительного послесвечения линий НТЭФЛ О0Ь и Э'х в эпитаксиальных слоях арсенида галлия позволило установить, что:

• длительное послесвечение наблюдается в материале с концентрацией примеси МП-1ЧА>1014 см"3. Концентрация центров захвата дырок в материале может быть оценена из относительной доли световой энергии, излучаемой образцом после окончания импульса возбуждения.

• центры захвата дырок, ответственные за длительное послесвечение спектральных линий НТЭФЛ и О0х, являются двухзарядовыми.

• увеличение концентрации центров захвата дырок, ответственных за длительное послесвечение линий НТЭФЛ и Б0х, приводит к уменьшению подвижности свободных носителей в материале.

• вероятность захвата дырок центрами зависит от температуры, одноосного сжатия образца и магнитного поля, приложенного к образцу.

- вероятность захвата дырок уменьшается с ростом температуры.

- при температуре Т=4,2К одноосное сжатие и магнитное поле приводят к монотонному уменьшению вероятности захвата.

- при температуре Т=2К зависимость вероятности захвата от величины магнитного поля имеет локальный максимум.

• затухание интенсивности фотолюминесценции, обусловленное освобождением дырок с центров захвата, описывается законом Беккереля 1(0=1о/(1+РОа, где Р-параметр, зависящий от системы единиц, значения показателя степени а составляют: аф°11) =1, а(О0х) =1,3 и не зависят от

концентрации центров в материале, температуры, одноосного сжатия и магнитного поля.

Практическая ценность

Результаты фотолюминесцентных исследований позволили разработать неразрушающий бесконтактный метод определения электрофизических характеристик (концентрации и подвижности носителей) эпитаксиальных слоев п-ОаА5 высокой степени чистоты (ГЧ*и-ГЧА<1012см"3).

Научная ценность

Установлена прямая связь между электрическими характеристиками п-ваАв и формой спектра НТЭФЛ. Экспериментально показано, что по мере уменьшения концентрации остаточной донорной примеси и увеличения подвижности свободных носителей в материале в спектре НТЭФЛ доминирование линии экситона, связанного на нейтральном доноре, сменяется доминированием линии свободного экситона.

Показано, что степень чистоты арсенида галлия может быть оценена из анализа эффективной температуры подсистемы свободных экситонов и диффузионной длины свободного экситона.

Предложено объяснение особенностей длительного послесвечения спектральных линий Б°х и 1)"Ь спектров НТЭФЛ, наблюдаемого при низких температурах в п-СаАв с концентрацией мелкой примеси 1Чп-Ка ^ 1014см"3.

Основные положения, выносимые на защиту:

Положение 1 (О доминировании линии свободного экситона в чистом арсениде галлия).

Полное доминирование линии свободного экситона в спектре низкотемпературной фотолюминесценции арсенида галлия наступает при концентрациях мелких доноров 1Чо-1ЧА<1012 см'3 и подвижности свободных электронов |Хе{Т=77К)>200000 см2/Вс.

Положение 2 (Об эффективной температуре и диффузионной длине свободных экситонов в арсениде галлия высокой степени чистоты).

Эффективная температура подсистемы фотовозбужденных свободных экситонов и их диффузионная длина, определенные по спектрам НТЭФЛ при низких температурах (Т<4,2К), отражают степень чистоты арсенида галлия: в арсениде галлия с концентрацией мелкой донорной примеси (Г<о-Г^А)<1012 см'3 диффузионная длина свободных экситонов при Т=2К составляет более 10 мкм, а нх эффективная температура менее 7К.

Положение 3 (О центрах захвата дырок в арсениде галлия): Эпитаксиальные слои п-СаАв содержат точечные дефекты, являющиеся двухзарядовыми центрами захвата дырок, ответственными за длительное послесвечение спектральных линий О х и О0Ь. Увеличение концентрации таких центров захвата дырок приводит к уменьшению подвижности свободных электронов в арсениде галлия и проявляется в уширении линии экситона, связанного на нейтральном доноре, в спектре НТЭФЛ.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 147 страниц, 49 рисунков и список литературы из 124 наименований.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на 11 Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988 г.), 8-й Международной конференции по динамическим процессам и возбужденным состояниям в конденсированных средах (Лейден, 1991 г.), б™ International workshop on expertevaluation & control of compound semiconductor material & technologies. (Budapest, Hungary, 2002 г.), I Украинской научной конференции по физике полупроводников (Одесса,

2002 г.), VI Российской конференции по физике полупроводников (СПб,

2003 г.), 2nd International conference on materials science and condensed matter physics. (Кишинев, 2004 г.)

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 8

статей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, определена цель работы, приведены основные результаты работы, сформулированы выносимые на защиту научные положения.

Первая глава носит вводный характер и посвящена обзору литературы и постановке задачи исследования. Рассмотрены основные электронные и оптические свойства арсенида галлия, которые используются в диссертации.

В первом параграфе рассматривается зонная структура GaAs, его электронные свойства и состояния, связанные с примесными центрами. Приводятся сведения об энергетических уровнях, создаваемых в запрещенной зоне примесными центрами различной химической природы [1].

Во втором параграфе обсуждаются характеристики материала, влияющие на работу приборов, создаваемых на его основе: подвижность, время жизнн, диффузионная длина носителей заряда. Приводятся сведения о значениях этих величин в арсениде галлия, их зависимости от температуры и концентрации примесей в материале. Рассматриваются теоретические оценки подвижности и времени жизни носителей в арсениде галлия и результаты их экспериментального определения [2, 3]. В конце параграфа рассматриваются методы определения электрофизических характеристик полупроводникового материала: концентрации свободных носителей, их подвижности и диффузионной длины. Анализируются ограничения, возникающие при применении этих методов для определения характеристик чистых эпитаксиальных слоев GaAs [4,5].

В третьем параграфе приводятся сведения об экситонной фотолюминесценции СаАя с концентрацией примеси (Р^-Р^сЮ15 см"3 при низкой температуре (Т<20К). Рассматривается природа спектральных линий, наблюдаемых в спектре низкотемпературной экситонной фотолюминесценции (НТЭФЛ) арсенида галлия и особенности их поведения при различных внешних условиях (температуре, интенсивности возбуждения) [6,7, 8].

Четвертый параграф посвящен обзору работ, в которых рассматривается возможность использования стационарных спектров НТФЭЛ для оценки концентрации примесей в арсениде галлия [9, 10, 11, 12].

В пятом параграфе рассматривается возможность диагностики примесных состояний в ваАв с помощью нестационарной фотолюминесценции [13, 14, 15]. Обсуждаются работы по наблюдению послесвечения экситонных линий в СаАв при низкой температуре. Рассматриваются закономерности затухания интенсивности

люминесценции во времени и влияние захвата носителей на глубокие уровни на характер такого затухания. Приводятся сведения о глубоких уровнях в арсениде галлия [16,17].

В конце главы обсуждается цель исследования, постановка задачи и методы ее решения.

Во второй главе обсуждается техника эксперимента. Приводится описание образцов, использовавшихся в наших экспериментах: их структура и характеристики, полученные с помощью холловских измерений и измерений вольтфарадным методом на барьере Шоттки. Описан метод газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе (НУРЕ), с помощью которого были получены образцы, и обсуждаются особенности метода.

Подробно обсуждается техника измерения оптических характеристик (фотолюминесценции, отражения и пропускания) эпитаксиальных слоев при низких температурах. Описана необходимая для этих измерений криогенная техника. Приводится описание методики регистрации стационарных и задержанных во времени спектров, а также методики времякоррелированного счета фотонов, используемой для измерения затухания интенсивности послесвечения во времени. Обсуждаются методы численного расчета и программные средства, использовавшиеся при анализе экспериментальных данных.

Третья глава диссертации посвящена диагностике качества эпитаксиальных слоев с использованием стационарных спектров НТЭФЛ и исследованию возможности оценки электрических параметров материала на основе анализа стационарных спектров.

Для сравнительного анализа была выращена серия образцов с монотонно изменяющимися электрофизическими характеристиками: концентрацией мелкой примеси и подвижностью свободных носителей. Следует отметить, что измерение этих величин традиционными методами

было возможно только на части образцов (при концентрации мелкой примеси не менее 101Э см° и подвижности не более 200 ООО см2/В-с). Было установлено, что по мере уменьшения концентрации примеси и роста подвижности происходит трансформация спектров НТЭФЛ. В первую очередь изменение касается соотношения интенсивностей линий свободного Т(РХ) и связанного 1ф°х) экситонов. Следует отметить, что в спектрах образцов, не поддающихся измерению электрофизическими методами, продолжает наблюдаться монотонное изменение отношения интенсивностей указанных линий. Это позволяет аппроксимировать полученную зависимость на образцы, в которых прямое измерение концентрации и подвижности невозможно, и использовать аппроксимацию для определения этих величин по спектрам НТЭФЛ. На рис.1 приведены зависимости концентрации и подвижности носителей от отношения интенсивностеи

Рис.1 Зависимости концентрации фоновой примеси ^-ГЧл и подвижности основных носителей р. от отношения интенсивностей линий О0х и ГХ » спектрах НТЭФЛ. V и Д - величины я р«<т-77ю,

соответственно.

о - величины N0-14* и р», полу-ченпые экстраполяцией зависимостей ¡Чц-ГЧл и ц. ог отношения интеисивностей спектральных линий О0х и ГХ.

2 и 100

'о

X 10

1

о 1П-,

ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ о о ЭКСПЕРИМЕНТ

Ч«с О о Д

0.1 , 1

1лв(1(0 х)/1(ЕХ)>

Полученные таким способом значения концентрации и подвижности в наиболее чистых образцах составляют ]Чо-1Чл~1012 см"3, ц~800 ООО см2/В-с. Следует отметить, что полученные значения подвижности превосходят литературные данные. Причины завышенных значений подвижности удалось понять с помощью анализа формы экситонного излучения.

Спектры НТЭФЛ эпитаксиальных слоев п-СаАв с различными электрофизическими параметрами отличаются не только соотношением интенсивностей свободного и связанного на нейтральном доноре экситонов, но и формой поляритонной люминесценции. Поэтому возможно применение анализа формы поляритонного излучения для характеристики качества эпитаксиальных слоев [18]. Поляритонная люминесценция очень чувствительна к качеству материала, т.к. релаксация по энергии рожденных светом экситонов при низкой температуре определяется, в основном, их взаимодействием с примесями и дефектами. Действительно, наблюдаемая нами трансформация спектров НТЭФЛ, которая сопровождает изменения электрических параметров эпитаксиальных слоев п-СаАв, затрагивает линию поляритонного излучения. Форма поляритонного излучения может быть рассчитана на основе модели, приведенной

в работе [19]. Расчет проводится на основе феноменологических параметров, определяющих распределение свободных экситонов и их взаимодействие с кристаллической решеткой. Важнейшим параметром, определяющим форму поляритонного излучения, является эффективная температура свободных экситонов (Т*). Она характеризует распределение экситонов по энергиям, которого они успевают достичь за время жизни, и отражает как время жизни, так и эффективность процессов энергетической релаксации. Определенные по спектрам НТЭФЛ эффективные температуры свободных экситонов для рассмотренной выше серии образцов представлены на рис.2.

Рис.2 Зависимость тивной температуры

эффек-свободных экситонов от отношения

интенсивностеи ..1 г»»

спектральных линий Б'х и ЕХ.

1х>§(1(0 х)/1(ЕХ))

Наличие минимума на кривой обусловлено двумя конкурирующими процессами при уменьшении концентрации примеси в образце. Первый процесс связан с увеличением времени жнзни экситона в результате уменьшения вероятности рекомбинации на примесных центрах, второй отражает замедление релаксации экситона по энергии, в которой примесные центры также играют заметную роль. Участок кривой, на котором происходит падение эффективной температуры экситонов при уменьшении отношения 1(В°х)/1(РХ), отражает увеличение времени жизни свободных экситонов в результате снижения концентрации примеси. Точка минимума соответствует состоянию, когда увеличение времени жизни за счет уменьшения концентрации примеси компенсируется падением эффективности диссипации энергии в результате столкновений с примесью. Последней причиной обусловлен небольшой рост эффективной температуры при дальнейшем уменьшении концентрации примеси. Таким образом, эффективная температура свободных экситонов в наиболее чистых образцах определяется их взаимодействием с фононами, а не с примесными центрами. Это позволяет понять, почему при оценке подвижности носителей но соотношению линий в чистых образцах были получены завышенные результаты. Аппроксимация основывалась на участке кривой, соответствующем данным для наиболее грязных образцов, на этом участке кривой зависимость подвижности определяется только

увеличением времени жизни и еще не проявляется эффект замедления релаксации экситонов по энергии.

Еще одним изменением, происходящим при наблюдаемой трансформации спектров НТЭФЛ, связанной с изменением качества эпитаксиальных слоев, является уширение линии О0х, сопровождающее увеличение концентрации примеси в материале. Было установлено, что О0х состоит из двух близко расположенных линий, т.е. уширение линии О0х является неоднородным. Ключом к пониманию природы уширения является обнаруженная нами корреляция между спектральным положением 1}°х, ее полушириной и длительным послесвечением, которое наблюдается на линиях Б'х и О0Ь в п-СаАв. Длительное послесвечение наблюдается при низких температурах (Т<20К) в материале с концентрацией мелкой примеси Т^ц-Мд 2: 10,4см"э и обусловлено присутствием в материале центров захвата дырок [13]. Взаимосвязь между спектральными характеристиками и послесвечением и с одной

стороны, и спектральными характеристиками и электрофизическими характеристиками качества материала, с другой, позволили предположить, что данные центры захвата могут оказывать заметное влияние на качество эпитаксиальных слоев. Действительно, нами обнаружена корреляция между концентрацией центров захвата дырок N7 в п-ваАв и электрофизическими параметрами слоев: концентрацией и подвижностью свободных носителей. Было установлено, что с ростом концентрации центров захвата наблюдается увеличение концентрации свободных носителей в материале и уменьшение их подвижности (рис 3). Для сравнения концентраций центров захвата в различных образцах использовалось отношение интегралов "В" под кривой затухания интенсивности фотолюминесценции во времени (см. вставку на рис.3), которое отражает количество запасенных на центрах носителей и является монотонной функцией N2.

Рис,3 Изменение концентрации и подвижности основных носителей в зависимости от концентрации центров захвата дырок. На вставке приведен метод расчета отношения интегралов "В"

1,5x10 3 1,0х1015

5,0x10

1.5Х103 , 1.0Х105 5,0x10"

ЯД*д

о

° -.

10 15 20 25

Время, мкс

0,01 0,02 0,03

Отношение интегралов "В"

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению процессов заселения центров захвата дырок. Количество захваченных на центры носителей можно характеризовать отношением "В" (см. выше), которое в дальнейшем будем называть заселенностью. Мы исследовали зависимость заселенности от интенсивности возбуждающего света, температуры, одноосного сжатия и магнитного поля.

Зависимость заселенности от интенсивности возбуждения демонстрирует рост в области малых интенсивностей возбуждения (рис. 4) и уменьшение заселенности в области больших интенсивностей возбуждения, второе объясняется насыщением центров захвата.

Расчеты показывают, что в области малых интенсивностей возбуждения заселенность независимых центров, захватывающих один носитель, должна стремиться к постоянной величине при уменьшении интенсивности возбуждения и не может объяснить поведения заселенности при малых интенсивностях возбуждения. Для того чтобы объяснить рост заселенности в области малых интенсивностей возбуждения мы предположили, что центром захватывается вторая дырка, причем вклад в послесвечение могут давать только двукратно заряженные центры. Такая модель приводит к системе нелинейных дифференциальных уравнений, допускающей численное решение. Результаты такого расчета, проведенного с подгонкой параметров по экспериментальным данным, приведены на рис.4 пунктирной линией. Хорошее согласие расчета и экспериментальных данных позволяет заключить, что центры являются двухзарядными дырочными ловушками.

Рис. 4 Зависимость заселенности от интенсивности возбуждения при температуре Т=2К.

Сплошная кривая - расчет заселенности для одночас-тичной модели центра. Пунктир - расчет для модели, учитывающей захват двух дырок.

+ - эксперимент.

Интенсивность возбуждения (Вт/см )

Измеренные зависимости заселенности от температуры (в диапазоне 2-20К), одноосного давления (в диапазоне до 30 Н/см2) и магнитного поля (в диапазоне до 4Т) при температуре Т=4,2К показали монотонное уменьшение заселенности при изменении температуры, одноосного сжатия и магнитного поля. Однако, зависимость заселенности от магнитного поля при температуре 1=2К имеет особенность.

Приведенная выше совокупность экспериментальных данных позволяет составить картину процесса захвата центром дырки. Особенностью процесса является резонансный захват дырки на уровень, принадлежащий центру, и,как следствие, резкая зависимость вероятности захвата от взаимного расположения этого уровня и максимума функции распределения носителей, который смещается в результате изменения температуры, одноосного сжатия или магнитного поля.

Следует отметить, что все результаты, приведенные в данной главе, справедливы как для линии В°х, так и для линии ОиЬ. Затухание интенсивностей спектральных линий 1)"х и обсуждается в пятой главе.

В спектрах фотолюминесценции, задержанных во времени относительно импульса возбуждения, присутствуют только линии О0х и Соотношение интенсивностей этих линий в задержанных спектрах изменяется в зависимости от величины задержки, причем интенсивность свечения линии О0х уменьшается быстрее, чем интенсивность свечения линии О0Ь. Затухание интенсивности свечения этих линий со временем хорошо описывается законом Беккереля: 1(1)=1о/(1+[31:)а, где 10=1(0), время после окончания импульса возбуждения, р-параметр, зависящий от системы единиц. Значения показателя степени а для линий П°х и О^Ъ различны и равны а (П°К)=1, а (О0х)=1,3.

Наблюдение в задержанных спектрах НТЭФЛ линии П°х указывает на присутствие в зоне проводимости электронов. Тот факт, что в задержанных спектрах всегда наблюдаются обе линии, О0х и П°Ь, говорит о том, что электроны в зоне проводимости связаны с заселением центров захвата дырок. Присутствие в зоне проводимости электронов, возникающих в результате заселения центров захвата дырок, проявляется и в стационарных спектрах НТЭФЛ. С ростом интенсивности возбуждения наблюдается разное поведение отношения интенсивностей указанных линий Т1=1(О0х)Л(О011) в стационарных спектрах образцов, содержащих и не содержащих центры захвата дырок (рис. 5).

Рис.5 Зависимости отношения 1(О0х)Я(О|>Ь) от интенсивности возбуждения.

I - чистые образцы,

II - образцы, содержащие центры захвата.

Интенсивность возбуждения (Вт/см )

Быстрый рост отношения т| в образцах, содержащих центры захвата дырок, объясняется увеличением концентрации электронов за счет захвата дырок центрами, а дальнейшее замедление роста отношения Т] — насыщением центров захвата дырок.

Взаимосвязь концентрации электронов в зоне проводимости с концентрацией заселенных центров захвата дырок позволяет понять различную скорость затухания линий В°х и О0Ь. Действительно, уменьшение концентрации заселенных центров захвата дырок приводит к уменьшению концентрации электронов, что и объясняет более быстрое, по сравнению с ВвЬ, затухание линии В°х.

Исследования влияния температуры, одноосного сжатия и магнитного поля на затухание интенсивности послесвечения показали, что во всем диапазоне изменения этих величин, использовавшемся в наших экспериментах (см. гл. 4), закон затухания послесвечения и скорость затухания остаются неизменными. Эти результаты свидетельствуют о безактивационном механизме освобождения дырки. В совокупности с выводом о двухзарядовой структуре центра это позволяет предложить модель освобождения дырки в результате Оже-процесса. Действительно, выброс дырки в валентную зону происходит в результате взаимодействия двух дырок, локализованных на центре захвата. При этом одна из них переходит в состояние с меньшей энергией, а освободившаяся энергия передается второй дырке. Оценка вероятности такого процесса, проведенная для локального центра в СаАэ, показала, что время освобождения дырки хорошо согласуется с характерным временем затухания интенсивности фотолюминесценции, которое наблюдается в эксперименте т<=10"5с.

Для понимания природы центров захвата дырок следует отметить следующие закономерности:

- длительное послесвечение наблюдается только в образцах с заметной концентрацией доноров см"3 и только на линиях, связанных с донорами,

- при одинаковых концентрациях доноров наблюдаются различные концентрации ловушек. Существуют образцы, в которых при высокой концентрации доноров не наблюдается длительного послесвечения,

- с увеличением концентрации центров захвата дырок наблюдается неоднородное уширение линии О0х (см.гл.З).

Эти факты позволяют предположить, что центры захвата дырок, ответственные за длительное послесвечение, связаны с комплексом- {донор

- собственный дефект}. Чтобы проверить это предположение, были проведены эксперименты по отжигу эпитаксиальных слоев в атмосфере водорода. Известно, что отжиг в атмосфере водорода при незащищенной поверхности СаАэ приводит к образованию вакансий мышьяка. Эксперименты показали, что отжиг приводит к увеличению концентрации центров захвата дырок в материале, что подтверждает предположение о комплексной природе центров захвата дырок.

В Заключении представлена сводка основных выводов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ:

1. Электрофизические и люминесцентные свойства чистого арсенида галлия определяются одними причинами, что позволяет производить количественные оценки электрических характеристик материала на основании оптических измерений.

2. В арсениде галлия высокой степени чистоты снижение концентрации мелких доноров приводит к увеличению интегральной интенсивности излучения свободного экситона, по сравнению с интегральной интенсивностью линии экситона, связанного на нейтральном доноре.

3. Полное доминирование линия свободного экситона в спектрах НТЭФЛ наступает при концентрации мелких доноров Г^о-Г^А<1012 см"3. При этих условиях подвижность свободных электронов превосходит значение Ре=200000 см2/В-с при Т=77К„

4. Степень чистоты арсенида галлия может быть оценена по величине диффузионной длины свободных экситонов и эффективной температуры подсистемы свободных экситонов, определяемых по спектрам НТЭФЛ.

5. В эпитаксиальных слоях п-ОаАв могут присутствовать центры захвата дырок. Захват дырок на такие центры и их последующее освобождение приводит к аномально длительному послесвечению спектральных линий НТЭФЛ (О0Ь) и (О0х).

6. Присутствие в арсениде галлия центров захвата дырок, ответственных за длительное послесвечение, изменяет его электрические свойства и влияет на люминесцентные характеристики. Увеличение концентрации центров захвата дырок приводит к увеличению электронов в зоне проводимости, уменьшению подвижности свободных носителей и уширению линии экситона, связанного на нейтральном доноре, в спектре низкотемпературной экситонной фотолюминесценции.

7. Центры, ответственные за длительное послесвечение спектральных линий НТЭФЛ и О0х, являются двухзарядными. Захват дырок центром происходит резонансным образом. Освобождение дырки происходит в результате Ожераспада.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: А1. А.В.Акимов, Ю.В.Жиляев, В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев, В.Г.Шофман. Экспериментальное наблюдение дырок в п-СаАв, высвободившихся в результате Оже-распада локализованных состояний. -ФТП, т.25, в.4, с.713-717 (1991).

А2. А.В.Акимов, В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев, В.Г.Шофман. Люминесцентное исследование долговременной кинетики носителей в эпитаксиальном арсениде галлия. - ФТП, т.27, в.2, с.310-322, (1993).

A3. В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев, Л.М.Федоров. Влияние метастабильных состояний на формирование стационарных спектров фотолюминесценции n-GaAs. - ФТП, т.28, в.2, с.310-314 (1994). А4. В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев. Влияние метастабильных состояний на высвечивания экситонов в n-GaAs. - ФТП, т.32, в.З, с.307-310 (1998). А5. В.В.Криволапчук, М.М.Мездрогина, Н.К.Полетаев. Влияние корреляции между подсистемами мелких и глубоких метастабильных уровней на экситонные спектры фотолюминесценции в п- типе GaAs. -ФТТ, т.45, в.1, с.29-32 (2003).

А6. В.В.Криволапчук, М.М.Мездрогина, Н.К.Полетаев. Заселение метастабильных состояний в n-GaAs. - ФТТ, т. 45, в. 5, с.785-789 (2003). А7. Yu. V. Zhilyaev, N. К. Poletaev, V. М. Botnaryuk Т.А. Orlova, L. M. Fedorov, Sh. A. Yusupova, A. Owens, M. Bavdaz, A. Peacock, В. О' Meara, H. Helava. Optical characterization of ultra-pure GaAs. - Phys. Stat. Sol., (c), v. 0(3), p.1024-1027 (2003).

A8. В.М.Ботнарюк, Ю.В.Жиляев, Т.А.Орлова, Н.К.Полетаев, Л.М.Федоров, Ш.А.Юсупова. Корреляция электрофизических и люминесцентных свойств GaAs высокой чистоты. - Письма в ЖТФ, т. 30, в. 19, с. 25-29 (2004). А9. Yu. V. Zhilyaev, N. К. Poletaev, V. М. Botnaryuk, Т.А. Orlova, L. М. Fedorov, Sh. A. Yusupova, В. O* Meara, H. Helava. Optical characterization of ultra-pure GaAs. - 6™ International workshop on expertevaluation & control of compound semiconductor material & technologis. Budapest, Hungary, (2002). A10. В.М.Ботнарюк, Л.В.Горчак, П.В.Гаугаш, Ю.В.Жиляев, Т.А.Орлова,

H.К.Полетаев, Л.М.Федоров. Определение параметров сверхчистого GaAs с помощью анализа спектров низкотемпературной экситонной фотолюминесценции. - В сборнике тезисов докладов 1ой Украинской научной конференции по физике полупроводников, Одесса, с.148, (2002). All. В.М.Ботнарюк, Ю.В.Жиляев, Т.А.Орлова, Н.К.Полетаев, Л.М.Федоров. Корреляция электрофизических и люминесцентных свойств сверхчистого GaAs. - В сборнике тезисов докладов VI Российской конференции по физике полупроводников. Санкт-Петербург, с.417 (2003). А12. В.В.Криволапчук, М.М.Мездрогина, Н.К.Полетаев. Влияние метастабильных уровней на экситонные спектры фотолюминесценции в п-типе GaAs. - В сборнике тезисов докладов VI Российской конференции по физике полупроводников, Санкт-Петербург, с.60 (2003).

А13. V. М. Botnaryuk, Yu. V. Zhilyaev, P. V. Gaugash, L. V. Gorchiak, N. K. Poletaev, T.A. Orlova, L. M. Fedorov, Sh. A. Yusupova. Diagnostics of pure layers GaAs. - In Book of abstracts of the 2nd International conference on materials science and condensed matter physics, Kishenev, p. 203 (2004).

Цитируемая литература:

I. Арсенид галлия. Получение, свойства и применение. - под редакцией, Ф.П.Кесаманлы и Д.Н.Наследова, М., Наука, с.471 (1973).

2. Weisbuch, Borge, Vinter. Quantum Semiconductor structures - Academic Press Inc., Harcourt Brace Jovanovich Published, (1991).

3. Д. 3. Гарбузов, В. Б. Халфин. Эффективность и времена излучательных переходов в прямозонном полупроводнике типа GaAs. - Препринт ФТИ -652. Л., 54 с. (1980).

4. Е. В. Кучис. Методы исследования эффекта Холла. - Советское радио, с.328 (1974).

5. С.М.Рывкин. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. - М., ФИЗМАТГИЗ, с.494 (1963).

6. Н. Heim, P. Hlesinger, Luminescence and Exitation Spectra of GaAs. -Phys.Stat.Sol., v.B6, No.2, p.461-470 (1974).

7. H. Barrey, Bebb and E.W.Williams. Transport and optical phenomena - in Semiconductors and Semimetals ed. by R.K.Willardson and A.C. Beer, v.8, p. 394 (1972).

8. В. И. Гавриленко, A. M. Грехов, Д. В. Корбутяк, В. Г. Литовченко. Оптические свойства полупроводников. - Наукова Думка. Киев. 608с. (1987).

9. К. Д. Глинчук, А. В. Прохорович. Особенности определения концентрации мелких примесей в полупроводниках из анализа спектров экситонной люминесценции. - ФТП, т.36, в.5, с.519-524, (2002).

10. Z.H.Lu, M.C.Hanna, D.M.Szmyd, E.G.Oh, and A.Majerfeld. Determination of donor and acceptor densities in high-purity GaAs from photoluminescence analysis. - Appl.Phys.Lett., 56(2) (1990).

11. G.Oelgart, S.Gramlich, T.Bergunde, E.Richter, M.Weyer. Assessment of compensation ratio in higt-purity GaAs using photoluminescence. - Materials Sience and Engineering, B44, p.228-232 (1997).

12. H. F. Pen, FA J.M. Driessen, S. M. Oisthoorn and L. J. Giling. The influence of impurity concentration on exiton photoluminescence in GaAs and InP. -Semicond.Sci.Technol., 7 p.1400-1406 (1992).

13. А.В.Акимов, А.А.Каплянский, В.В.Криволапчук, Е.С.Москаленко. Письма в ЖЭТФ, 46,35 (1987)

14. К.С.Журавлев, А.М.Гилинский. Подвижная линия акцепторной фотолюминесценции чистого GaAs. - Письма в ЖЭТФ, т.65, в.1, с.81-85 (1997).

15. К.С.Журавлев, А.М.Гилинский, А.В.Царев, А.Е.Николаенко. Кинетика фотолюминесценции GaAs под действием поверхностной акустической волны. - ФТП, т.35, в.8, с.932-936 (2001).

16. В. Н.Абакумов, В.И.Перель, И.Н.Яссиевич. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках. - ФТИ. СПб. 376с. (1997).

17. А. Милне. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках - М., Мир с.562 (1977).

18. Ю.В.Жиляев, В.В.Россин, Т.В.Россина, В.В.Травников. Использование спектров поляритонной люминесценции для характеристики качества кристаллов GaAs. - ФТП, т.22, в.10, с.1885-1888 (1988).

19. В.М.Ботнарюк, Ю.В.Жиляев, В.В.Россин, Т.В.Россина, В.В.Травников. Влияние интенсивности возбуждения на люминесценцию поляритонов в арсениде галлия. - ФТТ, т.28, в.1, с.201-207 (1986).

Отпечатано в типографии ГТИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 267, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 29.06.2006 г.

с т р

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Основные электронные и оптические свойства GaAs.

1 . 1 Общие сведения.

1 . 2 Характеристики материала.

1 . 3 Экситонная фотолюминесценция GaAs.

1 . 4 Соотношение интенсивностей экситонных линий.

1 . 5 Затухание фотолюминесценции во времени.

1 . 6 Постановка задачи.

ГЛАВА 2 Техника эксперимента.

2 . 1 Характеристика исследовавшихся образцов. 4 2 2 . 2 Установка для эпитаксиального роста GaAs. 4 3 2 . 3 Насыщение источника галлия мышьяком. 4 4 2 . 4 Газофазная эпитаксия арсенида галлия. 4 6 2 . 5 Общее описание установки для оптических измерений. 4 7 2 . 6 Оптическая схема установки. 4 9 2 . 7 Криогенная техника. 5 О 2 . 8 Схемы регистрации.

2 . 9 Методы обработки экспериментальных данных.

ГЛАВА 3 Использование стационарных спектров экситонной фотолюминесценции для диагностики эпитаксиальных слоев n-GaAs.

3 . 1 Экситонные спектры компенсированного GaAs. 5 7 3 . 2 Определение концентрации мелкой примеси и подвижности 5 9 основных носителей по соотношению спектральных линий экситонной фотолюминесценции n-GaAs.

3 . 3 Использование поляритонной люминесценции для 6 5 характеристики качества n-GaAs.

3 . 4 Использование полуширины линии D°x для оценки качества 7 4 эпитаксиальных слоев n-GaAs.

3 . 5 Выводы 8 О

ГЛАВА IV Заселение центров захвата дырок в n-GaAs.

4 . 1 Введение. 8 1 4 . 2 Захват носителей на ловушки. Эксперимент. 8 6 4 . 3 Захват носителей на ловушки. Обсуждение.

4 . 4 Выводы.

ГЛАВА V Освобождения дырок с центров захвата.

5 . 1 Закон затухания фотолюминесценции на больших временах 1 0 8 5 . 2 Влияние температуры, одноосного давления и магнитного 1 1 1 поля на затухания фотолюминесценции.

5 . 3 Распад центров захвата в результате многочастичных 114 процессов.

5 . 4 Вероятность освобождения дырки в результате Оже 1 1 6 рекомбинации.

5 . 5 Кинетика затухания спектральных линий D х и D°h.

5 . 6 Влияние центров захвата дырок на стационарные спектры п- 12 4 GaAs.

5 . 7 Центры захвата дырок и собственные дефекты.

5 . 8 Выводы:

Широкое применение полупроводниковых материалов в быстро развивающихся сегодня областях электронной техники выдвигает задачи всестороннего изучения общих физических закономерностей и явлений в полупроводниковых кристаллах, а также свойств конкретных полупроводниковых соединений. Бурное развитие физики полупроводников привело к появлению обширного спектра задач, связанных с совершенствованием методов получения и исследования полупроводниковых материалов. В частности, актуальной является задача получения чистых эпитаксиальных слоев, которая представляет как научный, так и практический интерес. Чистые эпитаксиальные слои используются при изготовлении широкого класса полупроводниковых приборов, что обуславливает важность изучения их физических свойств. Развитие технологии полупроводников и получение материалов, обладающих новыми свойствами, требует создания новых методик определения параметров полупроводников и совершенствования методов диагностики их качества, т.к. традиционными методами не всегда возможно достаточно полно характеризовать новые полупроводниковые материалы.

Одним из методов позволяющих получить разнообразную информацию о процессах и явлениях, происходящих в полупроводниковых кристаллах, является изучение спектров фотолюминесценции материалов и временных характеристик затухания люминесценции. Действительно, фотолюминесцентные свойства полупроводников определяются, как энергетической структурой кристалла, так и кинетикой фотовозбужденных носителей. При низкой температуре рожденные межзонным оптическим возбуждением (hv >Eg) электроны (е) и дырки (h) релаксируют по энергии и заселяют энергетические уровни вблизи границы запрещенной зоны. Из этих состояний они могут рекомбинировать, испуская квант света с энергией, близкой к Её. Такие процессы излучательной рекомбинации и определяют краевую фотолюминесценцию. Известны различные механизмы излучательной рекомбинации в полупроводниковых кристаллах. При низких температурах свободные электроны и дырки могут связываться в экситоны. Возможна также рекомбинация с участием примесей (переходы зона-примесь, донорно-акцепториая рекомбинация, аннигиляция связанных экситонов и др.). Таким образом, оптические спектры краевой фотолюминесценции материала отражают, как структуру энергетических состояниями вблизи края зоны, так и процессы динамики носителей в полупроводниках. Зависимость люминесцентных свойств полупроводниковых материалов от кинетики возбужденных носителей делают его чувствительным диагностическим инструментом при анализе физических процессов в полупроводниках, не приводящим к разрушению материала. Особенно привлекательна оптическая диагностика при изучении чистых эпитаксиальных слоев, где другие (традиционные электрофизические) методы измерений бывают затруднены или невозможны.

Среди большого числа полупроводников особое место занимает GaAs. Благодаря таким свойствам, как прямая зона и большая подвижность он находит широкое применение в оптоэлектронных приборах, СВЧ технике и полупроводниковых детекторах. В частности, перспективным направлением применения GaAs являются детекторы рентгеновского излучения, для которых требуются чистые эпитаксиальные слои. Технология роста эпитаксиальных слоев арсенида галлия хорошо разработана и позволяет получать материал высокой степени чистоты (ND-NA~1012 см'3). Определение параметров материала такой чистоты с помощью электрофизических измерений сталкивается с серьезными трудностями. С другой стороны в GaAs наблюдается мощная фотолюминесценция вблизи краевой области, которая на сегодняшний день достаточно хорошо изучена. Надежно идентифицирована природа спектральных линий экситонного спектра GaAs, который является наиболее эффективным каналом излучательной рекомбинации в чистом арсениде галлия. Это позволяет использовать спектры низкотемпературной экситонной фотолюминесценции (НТЭФЛ) арсенида галлия для сравнительного анализа качества чистого материала и количественных оценки параметров, определяющих свойства приборов на его основе (концентрация свободных носителей и их подвижность). Возможность использования спектров НТЭФЛ для сравнительной оценки концентрации примеси в эпитаксиальных слоях GaAs обсуждалась в печати [1, 2, 3 4, 5]. Однако форма спектра НТЭФЛ содержит информацию не только о примесных центрах, участвующих в излучательных переходах, но и о центрах не связанных с излучательной рекомбинацией. Действительно, одним из основных факторов влияющих на динамику распределения возбужденных носителей является их взаимодействие с локализованными состояниями, т.е. с состояниями, возникающими вследствие локального искажения потенциала зонной структуры. В монокристаллах такие локальные искажения обусловлены присутствием в них инородных химических элементов (примесей), а также точечных дефектов структуры (вакансии, антисайты и т. п.). Их присутствие, даже в небольших количествах, приводит к нарушению трансляционной симметрии кристалла и локальному искажению зонной структуры. Это может повлечь за собой изменение вероятностей рекомбинации носителей вблизи дефектов и кардинально поменять динамику релаксации свободных носителей и других квазичастиц (например-экситонов) в полупроводнике. Таким образом, примеси и дефекты могут существенно изменить функцию пространственно-энергетического распределение носителей, определяющую электронные свойства материала. В частности, в работе [6] было показано, что соотношение между каналами выхода излучения через свободные и связанные экситоны существенным образом зависит от присутствия дефектов в кристаллах. Поэтому спектры НТЭФЛ можно использовать для определения такого важного параметра полупроводниковых материалов, как подвижность носителей, которая зависит от всей совокупности дефектов в материале.

Кроме формы стационарного спектра важной характеристикой фотолюминесценции является характер затухание интенсивности свечения во времени. Кинетика спада послесвечения определяется как собственными свойствами материала, так и присутствующими в кристалле дефектами. В частности, для n-GaAs было обнаружено аномально длительное послесвечение спектральных линий НТЭФЛ [7], которое обусловлено захватом дырок в локализованные состояния и последующим медленным их освобождением. Дальнейшие исследования показали, что центры захвата обладают метастабильными свойствами, т.е. имеют большое различие времен захвата носителя и его освобождения и, следовательно, являются дырочными ловушками. Таким образом, кинетика спада интенсивности фотолюминесценции может служить критерием присутствия в материале подобных ловушек.

Цель данной работы - экспериментальное изучение люминесценции чистых эпитаксиальных слоев GaAs с целью применения результатов для диагностики качества эпитаксиальных слоев GaAs высокой степени чистоты и количественных оценок электрофизических параметров материала с помощью анализа спектров НТЭФЛ. Выяснение физической природы дефектов снижающих электрофизические параметры материала и определение причин появления таких дефектов.

Научная новизна:

Проведенные нами исследования позволили установить, что изменение электрофизических свойств чистого арсенида галлия вызвано теми же причинами, которые приводят к трансформации спектра низкотемпературной экситонной фотолюминесценции,

На электрофизические свойства эпитаксиальных слоев арсенида галлия существенное влияние оказывают центры захвата дырок, ответственные за длительное послесвечение двух спектральных линий: экситона, связанного на нейтральном доноре (D°x), и излучательного перехода донор-зона (D°h). Увеличение концентрации таких центров в материале приводит к снижению подвижности свободных носителей. Практическая значимость.

Результаты фотолюминесцентных исследований позволили разработать неразрушающий, бесконтактный метод определения электрофизических характеристик (концентрации и подвижности носителей) эпитаксиальных слоев n-GaAs высокой степени чистоты (ND-Na~1012 cm0). Защищаемые положения:

Положение 1 (О доминировании линии свободного экситона в чистом арсениде галлия).

Полное домииирование линия свободного экситона в спектре низкотемпературной фотолюминесценции арсенида галлия наступает при концентрациях мелких доноров Nd-Na<1012 см'3 и подвижности свободных электронов це(т=77К)>200000 см /В*с.

Положение 2 (Об эффективной температуре и диффузионной длине свободных экситонов в арсениде галлия высокой степени чистоты). Эффективная температура подсистемы фотовозбужденных свободных экситонов и их диффузионная длина, определенные по спектрам НТЭФЛ при низких температурах (Т<4,2 К), отражают степень чистоты арсенида галлия.

В арсениде галлия с концентрацией мелкой донорной примеси ND

12 3

Na<10 см' диффузионная длина свободных экситонов при Т=2К составляет более 10 мкм, а эффективная температура менее 7К . Положение 3 (О центрах захвата дырок в арсениде галлия): Эпитаксиальные слои n-GaAs содержат точечные дефекты, являющиеся двухзарядовыми центрами захвата дырок, ответственными за длительное послесвечение спектральных линий D°x и D°h. Увеличение концентрации таких центров захвата дырок приводит к уменьшению подвижности свободных электронов в арсениде галлия и проявляется в уширении линии экситона, связанного на нейтральном доноре, в спектре НТЭФЛ материала.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 147 страниц, содержит 49 рисунков и список литературы из 124 наименований.

Выводы:

1) Затухание фотолюминесценции, обусловленное распадом центров захвата дырок, происходит в соответствии с законом Беккереля.

2) Освобождение дырок с центров захвата, ответственных за длительное послесвечение спектральных линий D°x и D°h низкотемпературной экситонной фотолюминесценции арсенида галлия, происходит безактивационно в результате Оже процесса.

3) Центры захвата дырок, ответственные за длительное послесвечение спектральных линий D°x и D°h низкотемпературной экситонной фотолюминесценции арсенида галлия, связаны с комплексами собственный дефект - мелкий донор, которые являются дырочными ловушками.

4) Дырочные ловушки, ответственные за длительное послесвечение спектральных линий D°x и D°h, являются одной из основных причин снижения подвижности основных носителей в чистых эпитаксиальных слоях арсенида галлия с концентрацией остаточной примеси ND-NA<10l5cm"3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведем список основных выводов работы: Фотолюминесцентные и электрофизические исследования эпитаксиальных слоев арсенида галлия высокой степени чистоты (Nd-Na<1015 см"3) показали, что:

• монотонное изменение электрофизических характеристик GaAs (концентрации мелкой примеси и подвижности свободных электронов) сопровождается плавной трансформацией спектра НТЭФЛ.

• по мере уменьшения концентрации примеси и увеличения подвижности основных носителей в спектрах низкотемпературной фотолюминесценции (Т=2К) происходит относительное увеличение интенсивности свободного экситона по сравнению с экситоном, связанным на нейтральном доноре.

• полное доминирование линии свободного экситона в спектре низкотемпературной фотолюминесценции арсенида галлия наступает при

1 "7 1 концентрации мелких доноров ND-NA«10 см" и подвижности свободных электронов Це(Т=77К) «200000 см2/В-с.

• с уменьшением концентрации примеси и увеличения подвижности основных носителей происходит понижение эффективной температуры свободных экситонов. увеличение их диффузионной длины и времени жизни.

Исследования аномально длительного послесвечения линий НТЭФЛ D°h и D°x в эпитаксиальных слоях арсенида галлия позволили установить, что:

• длительное послесвечение наблюдается в материале с концентрацией примеси Nd-Na>1014 см"3. Концентрация центров захвата дырок в материале может быть оценена из относительной доли световой энергии, излучаемой образцом после окончания импульса возбуждения.

• центры захвата дырок, ответственные за длительное послесвечение спектральных линий НТЭФЛ D°h и D°x, являются двухзарядовыми.

• увеличение концентрации центров захвата дырок, ответственных за длительное послесвечение линий НТЭФЛ D°h и D°x, приводит к уменьшению подвижности свободных носителей в материале.

• вероятность захвата дырок центрами зависит от температуры, одноосного сжатия образца и магнитного поля, приложенного к образцу. Причем увеличение температуры, одноосное сжатие и магнитное поле при Т=4,2 °К приводят к падению вероятности захвата дырок. В то время, как зависимость вероятности захвата от величины магнитного поля при Т=2 К имеет локальный максимум.

• Затухание интенсивности фотолюминесценции, обусловленное освобождением дырок с центров захвата, описывается законом Беккереля I(t)=I0/(l+pt)a, причем показатели степени в нем составляют: a(D°h) =1 и a(D°x) =1,3, и не зависят от концентрации центров в материале, температуры, одноосного сжатия и магнитного поля.

Автор приносит свою благодарность Юрию Васильевичу Жиляеву за предложение темы и руководство работой и выражает глубокую признательность Владимиру Васильевичу Криволапчуку за плодотворное сотрудничество. Я искренне благодарю Леонида Михайловича Федорова за проявленный интерес и поддержку в работе, а так же всем сотрудникам лаборатории «Физических явлений в полупроводниковых эпитаксиальных структурах» за оказанную в работе помощь.

1. Z. Н. Lu, М. С. Hanna, D. М. Szmyd, E.G. Oh and A. Majerfeld Determination of donor and acceptor densities in higt-purityGaAs from photoluminescenceanalysis. // Appl. Phys. Lett., 1990,56 (2), p. 177.

2. H. F. Pen, F. A. J.M. Driessen, S. M Olsthoorm and L. J. Giling The influence of impurity concentration on exciton photoluminescence in GaAs and InP. // Semicond. Sci. Technol., 1992, V.7, p. 1400-1406.

3. G.Oelgart, S.Gramlich, T.Bergunde, E.Richter, M.Weyer, Assessment of compensation ratio in higt-purity GaAs using photoluminescence.// Materials Sience and Engineering B44, 1997, p. 228-232.

4. К.Д.Глиичук, А.В.Прохорович Особенности определения концентрации мелких примесей в полупроводниках из анализа спектров экситонной люминесценции. // ФТП, 2001, т.36, в.5, с.519-524.

5. К.Д.Глиичук, А.В.Прохорович Особенности определения концентрации мелких примесей в полупроводниках из анализа спектров краевой люминесценции. // ФТП, 2002, т.37, в.2, с.159-165.

6. В.В Травников., В.В. Криволапчук Влияние интенсивности возбуждения на характер взаимодействия экситонов с дефектами и примесями. // ФТТ, 1986, т. 28, в.4. с. 1210 1215.

7. А.В. Акимов, А.А.Каплянский, В.В. Криволапчук, Е.С.Москаленко Проявление метастабильных локализованных состояний дырок в медленной кинетике краевой люминесценции n-GaAs. // Письма в ЖЭТФ, 1987, т. 46, № 1,с.35.

8. A.Thiel, Н. Zs. Koelsh//Analog. Chem., 1910, v. 66, p. 288.

9. V.M. Goldschmidt // Trans.Farad.Soc., 1929, v. 25, p. 253.

10. Ж.И.Алфёров, Б.В. Царенков // ФТП, т. 19, с. 2113

11. H.Barrey, Bebb and E.W.Williams Transport and optical phenomena // in Semiconductors and Semimetals ed. by Willardson R.K. and Beer A.C., 1972, v. 8, p. 321-392.

12. В.И. Гавриленко и др. Оптические свойства полупроводников // Киев, 1987.

13. И.Б.Ридли Квантовые процессы в полупроводниках.// М., Мир, 1986, 304 с.

14. Ю.М.Бурдуков, Ф.М.Гашимзаде, Ю.А.Гольдберг и др. Арсенид галлия . Получение, свойства и применение // Сб. под редакцией Ф.П.Кесаманлы и Д.Н.Наследова, М., Наука, 1973,471с.

15. J.M. Luttinger, W. Kohn Motion of Electrons and Holes in Perturbed Periodic Fields.// Phys.Rev., 1955, v. 97, No 3, p. 869-883.

16. Landolt-Bornstein. New series // ed. by O.Madelung, Springer, Heidelberg, 1982, Group 3, v. 17.

17. S.T.Pantelides The Electronic Structure of Impurities and Other Point Defects in Semiconductors. // Rev.Mod.Phys., 1978, v. 50, No. 4, p. 797-858.

18. P. Смит Полупроводники.// пер. с англ. М.; Мир, 1982, 560 с.

19. P.Summers, R.Dingle, D.E. Hill Far Infrared Absorbtion and Potoconductivity in Epitaxial n-Type GaAs.// Phys.Rev. B, 1970, № 4, p. 1603-1606.

20. N.O.LipaH, A.Balderischi Angular Momentum Theory of Localised States in Solids. Investigation of Shallow Acceptor States in Semiconductors.// Phys. Rev. Let, 1970, v. 25, № 24, p. 1660-1664.

21. F.Bassani, S. Iadonisi, B.Preziozi Electronic Impurity Levels in Semiconductors.// Rep. Progr. Phys, 1974, v. 37, № 9, p. 1099-1210.

22. H.B.Bebb, R.A. Chapman Application of Quantum Defect Techniques to Photoionisation of Impurity in Solids. // J.Phys. Chem. Sol, 1967, v. 28. № 10, p. 2087-2097.

23. R.F.Kirkman, R.A.Stradling, P.J. Lin-Chuhg An Infrared Study of the Shallow Acceptor in GaAs. // J. Phys. C, 1978, v.l 1, № 2, p. 419-433.

24. D.J.Ashen, PJ. Dean, D.T.J.Hurle, J.B.Mullin, A.M.White The Incorporation and Characterisation of Acceptors in Epitaxial GaAs. // J.Phys.Chem.Sol., 1975, v. 36, № 10, p. 1041-1053.

25. Л.Г.Гассанов, Е.П.Лауре, М.П.Лисица, Ф.В. Моциый Фотолюминесценция GaAs и ее использование в полупроводниковом приборостроении. // Киев, 1987, АН УССР Институт Физики Препринт № 11-71с.

26. В.Н. Абакумов, В.И. Перель, И.Н. Яссиевич Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках//С-Петербург, 1997,

27. G.M. Martin, A. Mittoneau, A. Mircea Electron Traps in Bulk and Epitaxial GaAs Crystals. // Electron. Let., 1977, v. 13, № 7, p. 191-192.

28. A.Mittoneau, G.M.Martin, A. Mircea Hole Traps in Bulk and Epitaxial GaAs Crystals. // Electron. Let., 1977, v. 13, № 22, p. 666-667.

29. Weisbuch, Borge, Vinter Quantum Semiconductor structures // Academic Press Inc., Harcourt Brace Jovanovich Published, 1991.

30. С.М.Рывкин Фотоэлектрические явления в полупроводниках. // М., ФИЗМАТГИЗ, 1963, 494 с.

31. Т.Мосс, Г.Баррел, Б.Эллис Полупроводниковая оптоэлектроника. // М., Мир, 1976,431 с.

32. Д.З.Гарбузов, В.Б.Халфин Эффективность и времена излучательных переходов в прямозонном полупроводнике типа GaAs // Л., 1980, препринт.

33. D.Bimberg, H.Munzel, A.Steckenborn, J.Christen Kinetics of relaxation and recombination of nonequilibrium carriers in GaAs. // Phys. Rev. B, 1985, 31, p. 7788.

34. C.J.Hwang // Phys. Rev. B, 1973, v. 8, p. 646.

35. И.М.Викулин, В.И.Стафеев Физика полупроводниковых приборов. // М., Радио и связь, 1990,262 с.

36. Л.С.Берман, А.А.Лебедев Емкостная спектроскопия глубоких уровней в полупроводниках. // Л., Наука, 1981, 175с.

37. Е. В. Кучис. Методы исследования эффекта Холла. // Советское радио, 1974, 328с.

38. С.Г Конников., А.Ф Сидоров Электронно-зондовые методы исследования полупроводников. //М., Энергия, 1978.

39. Ж. Панков Оптические процессы в полупроводниках. // М., Мир, 1971,456 с.

40. Р.Нокс Теория экситонов. // М., Мир, 1966,219 с.

41. Р.Е.Холстед Излучательная рекомбинация в области края полосы поглощения. // Физика и химия соединений А2В6, М., Мир, 1970,296 с.

42. D.D.Sell Resolved Free-Exciton Transitions in the Optical Absorption Spectrum of GaAs. // Phys.Rev., 1972, v. B6, № 10, p. 3750-3753.

43. M.D.Sturge Optical Absorption of Arsenide between 0,6-275 eV.// Phys.Rev., 1962, v. 127, № 3, p. 768-776.

44. M.J.Nathan, G.Burns Recombination Radiation in GaAs. // Phys.Rev., 1963, v. 129, № l,p. 125-128.

45. M.A.Gilleo, P.T.Bailey, D.E.Hill Free-Carrier and Exiton Recombination Radiation in GaAs. //1. Phys.Rev., 1968, v. 174, № 3, p. 898-906. 2. Phys.Rev., v. B3, № 10, p. 3581.

46. A.Baldereshi, N.O.Lipari Energy Levels of Direct Excitons in Semiconductors with Degenerate Bands. // Phys. Rev., 1971, v. B3, № 2, p. 439-451.

47. К.Б.Толпыго Физические свойства решетки типа каменной соли, построенной из деформируемых ионов. // ЖЭТФ, 1950, т.20, №6, с. 497509.

48. М.Борн, Хуан Кунь Динамическая теория кристаллических решеток. //М.,ИЛ, 1958, с.200.

49. С.И.Пекар Теория электромагнитных волн в кристалле, в котором возникают экситоны. //ЖЭТФ, 1957, т.ЗЗ, с. 1022-1031.

50. С.И.Пекар К теории добавочных электромагнитных волн в кристаллах в области экситоного резонанса. // ФТТ, 1962, т.4, с. 13011311.

51. J.J.Hopfield Theory of contributions of excitons to the complex dielectric constants of crystals. // Phys.Rev., 1958, v.ll2,p. 1555-1567.

52. В.М.Агронович Дисперсия электромагнитных волн в кристаллах. // ЖЭТФ, 1959, т. 37, с.430-441.

53. D.D.Sell, R.Dingle, S.E.Stokowski and J.V.Dilorenzo Polariton Reflectance ahd Photolumihescencce in Higt-Purity GaAs. // Phys.Rev., 1973, v. B7,№ 10, p. 4568-4586.

54. E.H.Bogardus, H.B.Bebb Bound-Exciton Free-Exiton Band-Acceptor Donor-Acceptor and Auger Recombination in GaAs. // Phys. Rev., 1968, v. 176, №3, p. 993-1002.

55. А.Ф.Кравченко, В.В.Назинцев, А.П.Савченко, А.С.Терехов Влияние электрон-эксионных столкновений на форму линии люминесценции связанных экситонов в арсениде галлия. // ФТТ, 1979, т. 21, в. 5, с. 15511553.

56. J. A.Rossi, C.M.Wolfe, G.E.Stillman, J.O.Dimmock Identificati of Exciton-Neutral Donor Complexes in the Photoluminescence of High-Purity GaAs. // Solid State Commun., 1970, v. 8, №. 23, p. 2021-2024.

57. R.R.Sharma, S. Rodrigues Exciton-Donor Comylexes in Semiconductors.// Phys. Bev., 1967, v. 159, № 3, p. 649-651.

58. С.М.Зубкова, Е.В.Смелянская, Е.И.Шульзингер Энергия связи экситонно-примесных-комплексов в полупроводниках со структурой алмаза и цинковой обманки. // ФТП, 1998, т. 32, № 5, с. 583-587.

59. G.E.Stillman, C.M.Wolfe, J.O.Dimmok Magnetospectroscopy of shallow donors in GaAs. // Solid State Comm., 1969, v.7, № 13, p. 921-925.

60. G.E.Stillman, D.M.Larsen, C.M.Wolfe, H.C.Brand Precision verification of effective mass theory for shallow donore in GaAs. // Solid State Commun., 1971, v. 9, №24, p. 2245-2249.

61. R.J.Almassy, D.S.Reynolds, C.W.Litton, K.K.Bajaj, G.L.McCoy Obaervation. of the shallow residual donors in high purity epitaxial GaAs by means of photoluminescence spectroscopy. // Solid. State Commun., 1981, v. 38, № 10, p. 1053-1056.

62. D.S.Reynolds, C.W.Litton, Z.B.Smith, K.K.Bajaj Photolumiescence studies of exciton-ionized donor complexes in high purity epitaxial GaAs. // Solid State Commun., 1982, v. 44, № 1, p. 47-50.

63. J.R.Haynes Experimental proof of the excistence of a new electronic complex in semiconductors.// Phye.Rev.Letters., 1960, v. 4, № 7, p. 361-363.

64. H.Heim, P.Hiesinger Luminescence and Exitation Spectra of GaAs. // Phys.Stat.Sol., 1974, v. B6, № 2, p. 461-470.

65. H.Venichaus Excitation intensity dependence of shallow donor bound exiton luminescence in GaAs. // J. of Luminescence, 1978, v. 16, № 3, p. 331341.

66. D.C.Reynolds, D.W.Langer, C.W.Litton, G.I.McCoy,. K.K.Bajaj Intensity-reversal in the donor bound exciton luminescence of GaAs. // Solid State Commun., 1963, v. 46, № 6, p. 473-476.

67. C.Weisbuch, G.Fishman Kinetics of excitons and polaritons in pure GaAs studied by optical spin orientation. // J. of Luminescence, 1976, v. 12/13, p. 219-224.

68. A.P.Kravchenko, V.V.Nazintsev, A.P.Savchenko, Y.M.Zaletin Influence f i of Infrared Illumination on Excited Lumminescence of GaAs. //

69. Phys.Stat.Sol.(b), 1980, v. 98, № 2, p. K155-K157.

70. R.Ulbrich, B.Moreth Free Hole-Neutral Donor Recombinationin High Purity GaAs. // Solid State Commun., 1974, v. 14, № 4, p. 331-334.

71. R.R.Sharma, S.Rodrigues Theory Excitons Bound to Ionized Impurities in Semiconductors. // Phys.Rev., 1967, v. 153, № 3, p. 823-827.

72. W.Gorzkowski, M.Suffczynski Exciton bound to ionized donors. // Phys.Lett., 1969, v. 29A, № 9, p. 550.

73. A.M.White, P.J.Dean, L.L.Taylor, R.C.Clark, D.Y.Ashen and J. B.Mullin The photoluminescence Spectrum of Bound Excitons in InP and GaAs. // J. Phys., 1972, v. C5, № 13, p. 1727-1737.

74. E.Becquerel, C.R.,51,921, (1860); Ann de chim et de phys.,62, 5(1861); La lumier, т.1, 1867.

75. A.Becquerel, C.R.,113,618,672(1891), Journ.de Phys. (3), 1, 137 (1892).

76. E. Wiedeman, Ann. d.Phys., 37,177(1889)

77. E. Wiedeman und G.C.Schmidt, Ann. d.Phys., 54,604 (1895);201 (1895)

78. L.Nicols and E.Merrit // Studies in luminescence, 1912

79. P.Lenard, F.Schmidt udd R.Tomaschek, D. Hand // .Exp.Phys.,1928, 23, part 1 и 2.

80. Блохинцев // ДАН СССР, 1934, 26, 76.

81. Э.И.Адирович Некоторые вопросы теории люминесценции кристаллов//М., 1951,350 с.

82. Th.Forster, Experimentelle und teoretische Unteruchung deszwischenmolekularen Ubergangs von elektronenAnregungsenergie //

83. Ztsch.Naturforsch. A., 1949, Bd. 4a, p. 321-327.

84. А.Н.Васильев, В.В.Михайлин Введение в спектроскопию твердого тела//Издательство Московского Университета, 1987,192 с.

85. А.Милне Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках // М., Мир, 1977, 562 с.

86. S.T.Pantelides // Rev. Mod. Phys, 1978,50,797

87. В.Ф.Мастеров, Б.Е.Саморуков Глубокие центры в соединениях АШВУ // ФТП, 1978, т. 12, в. 4, с. 625-652.

88. В.Ф.Мастеров Глубокие центры вполупроводниках // ФТП, 1984, т. 18, в.1, с. 3-23.

89. И.Н.Ильин, В.Ф.Мастеров Многоэлектронные эффекты в задаче глубоких уровней в АПГВУ// ФТП, 1978, т.12, в.4, с. 772-775.

90. В.Ф.Мастеров Электронная структура глубоких центров в арсениде галлия // Известия высших учебных заведений, 1983, т. 10, с. 45-55

91. M.Lax Giant Traps. //Phys.Chem.Solid, 1959, v. 8, p. 66.

92. M.Lax Cascade Capture of Electrons in Solids.// Phys.Rev, 1960, v. 119, p. 1502.

93. В.Н.Абакумов, В.И.Перель, И.Н.Яссиевич Теория захвата электронов на притягивающие центры в полупроводниках при фотовозбуждении.// ЖЭТФ, 1977, т. 72, в. 2, с. 674-686.

94. В.Н.Абакумов, В.И.Перель, И.Н.Яссиевич Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках. // ФТП, 1978, т. 12, в.1, с. 332.

95. В.Н.Абакумов, И.А.Меркулов, В.И.Перель, И.НЛссиевич К теории многофононного захвата электрона на глубокий центр. // ЖЭТФ, 1985, т. 89, в. 4, с. 1472-1486.

96. Н.Т.Баграев EL-2-центр в GaAs: Симметрия и метастабильность // ЖЭТФ, 1991, т. 100, № 4, с.1378-1391.

97. М.К.Шейкман, АЛ.Шик Долговременные релаксации и остаточная фотопроводимость в полупроводниках. // ФТП, 1976, т. 10, в. 2, с. 209233.

98. J1. ДЛандау, Е. М.Лифшиц Квантовая механика // М., Наука, 1989, 767с.

99. M.G.Graford, G.E.Stillman, J.A.Rossi, Jr. N.Holonyak // Phys.Rev., 1968, №168, p. 867.

100. D.V. Lang, R.A. Logan //Phys.Rev.Lett., 1977, v. 39, p. 635.

101. P.M.Mooney // J.Appl.Phys., 1990,67, Rl.

102. T.N.Theis, P.M.Mooney, S.L.Wright // Phys.Rev.Lett., 1988, v. 60, p. 361.

103. А.Э.Васильев, Н.П.Ильин, В.Ф.Мастеров // ФТП, 1989, т. 23, с. 804.

104. C.J.Armistread, S.P.Najda, R.A.Stradling, J.C.Maan // Solid State Commun., 1985, v. 53, p. 1109.

105. S.Huant, S.P.Najda, B.Etienne // Phys.Rev.Lett., 1990, v. 65, p. 1486.

106. А.В.Акимов, Ю.В.Жиляев, В.В.Криволапчук, В.Г.Шофман Перезахват неосновных носителей в условиях фотоионизации в эпитаксиальном n-GaAs. // ФТП, 1990, т. 24, № 1, с. 82.

107. А.В.Акимов, Ю.В.Жиляев, В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев, В.Г.Шофман Экспериментальное наблюдение дырок в n-GaAs высвободившихся в результате Оже-распада локализованных состояний. // ФТП, 1991, т. 25, в. 4, с. 713-717.

108. А.В.Акимов, В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев, В.Г. Шофман Люминесцентное исследование долговременной кинетики носителей в эпитаксиальном арсениде галлия // ФТП, 1993, т. 27, в. 2, с. 310-322.

109. В.В.Криволапчук, Н.К.Полетаев Влияние метастабильныхсостояний на высвечивание экситонов в n-GaAs. // ФТП, 1998, т. 32, в. 3, с. 307-310.

110. В.В.Криволапчук, М.М.Мездрогина, Н.К.Полетаев Влияние корреляции между подсистемами мелких и глубоких метастабильных уровней на экситонные спектры фотолюминесценции в n-GaAs. // ФТТ, 2003, т. 45, в. 1, с. 29-32.

111. В.В.Криволапчук, М.М.Мездрогина, Н.К.Полетаев Заселение метастабильных состояний в n-GaAs. // ФТТ, 2003, т. 45, в. 5, с. 785-789.

112. Ди Лоренцо Д. В. Эпитаксиалыюе выращивание GaAs из газовой фазы. // Материалы для оптоэлектроники. Перевод с англ.Е. И. Гиваргизова и С. Н. Горина., М., Мир, 1976, с. 153-158.

113. V. L. Dostov, Y. V. Zhilyaev, I. P. Ipatova, A. Y. Kulikov, Y.N. Makarov and G.R. Markaryan // High-Purity Materials, 1989,4, 74.

114. J. R.Knight, D.E.Effer, P. R.Evans The preparation of high purity gallium arsenide by vapon-phase epitaxial growth. // Solid State Electron., 1965, v. 8, №. 2, p. 179.

115. Полевые транзисторы на арсениде галлия под ред. Д. В. Ди Лоренцо и Д. Д. Канделуола // М., Радио и связь, 1988,495с. (S. G. Bandy, D. М. Collins, С. К. Nishimoto, Electron. Lett. 1979.- V.15.-P. 218.)

116. В. М.Андреев, Л. М.Долгинов, Д.Н.Третьяков Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов // М., Советское радио, 1975, 328 с.

117. Э.И.Рашба, Г.Э.Гургенишвили К теории краевого поглощения в полупроводниках. // ФТТ, 1962, т. 4, № 4, с. 1029-1031.щ 116. В.В.Травников, В.В.Криволапчук Кинетика поляритоннойлюминесценции. // Письма в ЖЭТФ. 1982. Т.36. В.6. С.196 199.

118. В .В .Травников, В .В .Криволапчук Кинетика и люминесценция поляритонов. // ЖЭТФ. 1983. Т.85. В.6. С.2087 2090.

119. В. М. Ботнарюк, Ю. В. Жиляев, В. В. России, Т. В. Россина, В.В. Травников Влияние интенсивности возбуждения на люминесценцию поляритонов в арсениде галлия. // ФТТ, 1986, т. 28, в. 1, с. 201- 207.

120. Ю. В. Жиляев, В. В. России, Т. В. Россина, В.В. Травников Поляритонная люминесценция // // ФТТ, 1986, т. 28, в. 9, с. 2688- 2695.

121. В. М. Ботнарюк, Ю. В. Жиляев, Т.А. Орлова, Н. К. Полетаев, JI. М. Федоров, Ш. А. Юсупова Корреляция электрофизических и люминесцентных свойств GaAs высокой чистоты. // Письма в ЖТФ, 2004, т. 30, в. 19, с. 25-29.

122. Гельмонт Б.Л.Харченко В.А.Яссиевич И.Н. Оже-рекомбинация экситонно примесных комплексов. // ФТТ, 1987, т. 29, в. 8, с. 2351-2360.

123. Ю.В. Жиляев, Р.Н.Кютт, И.П.НикитинаНестехиометрия в тонких пленках GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии // :ЖТФ, 1990, т.60, в.11, с.201-203