Электрофизические и рекомбинационные свойства трансмутационно легированных монокристаллов и эпитаксиальных слоев арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Институт физики твердого тела и полупроводников

академии наук беларуси

I

УДК 621.315.592

ШОХ Владимир Федорович

электрофизические и рекомб1шационные свойства трансмутационно легированных монокристаллов и зпитаксиальных слоев арсенида галлия

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Авторефераг диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК, 1997

Работа выполнена в лаборатории радиационных воздействий Института физики твердого тела и полупроводников АН Беларуси и в Минском научно-исследовательском институте радиоматериалов

Научные руководители:

член-корреспондент АН Беларуси, доктор технических наук, профессор Коршунов Ф. П.

кандидат физико-математических наук Быковский В.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

Борисенко В.Е.

кандидат физико-математических наук, доцент

Антошин А. А.

Оппонирующая организация: Институт электроники АН Беларуси

Защита диссертации состоится 30 мая 1997г. в 14 часов на заседания Совета по защите диссертаций Д 01.06.01 Института физики твердого тела и полупроводников АН Беларуси (220072, г.Минск, ул.П.Брсвки, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела и полупроводников АНБ.

Автореферат разослан "29" апреля 1997г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций

доктор физ.-мат.наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Интерес к проблеме трансмутационного легирования арсенида галлия обусловлен возможностью получения с использованием данного метода однородно легированных монокристаллов и структур с точно заданным уровнем легирования мелкими примесями. Однако практическое получение высококачественного трансмугационно легированного баАз связано с преодолением ряда трудностей физического характера и требует углубленного знания физики процессов, протекающих в кристалле при облучении и пострадиационном отжиге. Несмотря на то, что до настоящего времени по данной проблеме выполнен достаточно большой объем исследований, имеющиеся литературные данные являются неполными и частично противоречивыми, " что обуславливает необходимость проведения комплексных исследований свойств трансмутационко легированных материалов.

Связь работы с крупными научными программами, темами

Работа выполнялась в Минском научно-исследовательском институте радиоматериалов и в лаборатории радиационных воздействий Института физики твердого тела и полупроводников Академии наук Беларуси в рамках заданий Республиканских научно-технических программ "Кристалл" (НИР 2.10А "Исследование взаимодействия радиационных и термических дефектов в кремнии, арсеннде галлия и р-п-структурах"), "Структура" (НИР "Исследование образования дефектно-примесных комплексов в кремнии, арсениде галлия и структурах на их основе"), проекта Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь ФЗ1-158 "Создание физических основ ядерно-физических технологий получения материалов на основе А3В5", Программы совместных работ Минского НИИ радиоматериалов и Института технологии электронных материалов (ГГМЕ, Варшава, Республика Польша), включенной в Программу Белорусско-Польского научно-технического сотрудничества.

Цель п задачи исследования

Целью настоящей работы являлось установление влияния условий облучения и характеристик исходных монокристачлов и зпитаксиальных слоев (ЭС) на закономерности пострадиационного отжига и свойства трансмугационно легированного (ТЛ) арсенида галлия.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние "жесткости" спектра реакторных нейтронов и характернспп; -„сходного арсешзда галлия на электрические и рекомбина-ционные свойства нейтронно трансмутационно легированного (НТЛ) СаАэ в процессе изохронного отжига.

2. Исследовать электрические и рекомбинационные свойства отожженных нейтронно легированных монокристаллов и эпитаксиальных слоев арсенвда галлия, облученных в широком диапазоне флюенсов тепловых нейтронов.

3. Исследовать электрические и рскомбииационнке свойства эпитаксиальных слоев ваАз, облученных с целью трансмутационного легирования высокоэнергетическими у-квантами.

Научная новизна работы

1. Показано, что увеличение концентрации электронов в исходных кристаллах арсешзда галлия приводит к снижению температуры восстановления электрических и рекомбинационных свойств НТЛ ОаАэ в процессе пострадиационного отжига.

2. Установлено, что остаточные акцепторы углерода в трансмутационно легированном арсениде галлия взаимодействуют с радиационными дефектами с образованием центров безызлучательной рекомбинации.

3. Обнаружено, что в процессе облучения эпитаксиальных слоев СаАя имеет место радиацаонно-стимулированная диффузия остаточных технологических акцепторов углерода из подложки в эпитаксиальный слой.

4. Обнаружено, что характер проявления и-полосы в спектрах, регистрируемых методом нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней в НТЛ ОаАя, зависит от положения уровня Ферми в исходных не-облученных кристаллах.

5. Впервые эксперименаяьно показано, что в результате фотоядерного легирования имеет место компенсация эпитаксиальных слоев арсешзда галлия п-тила проводимости. Из исследования спектров фотолюминесценции ФЯЛ ОаАэ обнаружены трансмутационные акцепторы Ъо.. Основную роль в процессе отжига ФЯЛ ОаАя играют радиационные дефекты Р1 и Р2.

Практическая значимость полученных результатов

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке технологии получения высококачественных однороднолегиро-вашшх монокристаллов и эпитаксиальных структур арсенида галлия с использованием метода нейтронного трансмутационного легирования. Проведенные систематические исследования влияния условий облучения и ха-

рактеристих исходного материала на свойства НТЛ (ЗаАБ позволяют определить границы применимости данного метода к арсениду галлия, а также оптимизировать процессы трансмутационного легирования и пострадиационного отжига с целью достижения требуемых параметров материала. Использование высокооднородных НТЛ кристаллов и структур ОаАя в полупроводниковой электронике будет способствовать повышению качественного уровня и повышению процента выхода изготавливаемых приборов.

Наиболее предпочтительным является использование для целей НТЛ нелегированных монокристаллов (ЗаАя п-типа проводимости. При целевом выращивании нелегированного полуизолирующего СаАэ такие материалы являются как правило следствием использования недостаточно чистых исходных материалов (металлические Оа, Ав, поликристаллический ОаАв). Имея совершенную кристаллическую структуру, данные кристаллы являются технологическим браком с точки зрения электрических параметров и подлежат переплавке. С помощью метода НТЛ на основе таких материалов могут быть получены высококачественные кристаллы п-типа проводимости. Однако получение нейтрошго легированных материалов с уровнем легирования выше 10!8 см'3 является нецелесообразным ввиду фактического насыщения концентрации электронов в НТЛ СаАв. Нейтронное легирова-шге полугоолирующих кристаллов, выращенных методом Чохральского, является возможным лишь при облучении флтоенсами тепловых нейтронов, превышающими 1017 см" (соответствующий уровень легирования п>1016 см'3).

Особый интерес представляет использование метода нейтронного легирования для эпитаксиальных структур ОаАэ. Методом НТЛ могут быть получены высокооднородные ЭС с концентрацией электронов 1014-1016 см'3 для структур на полуизолтфующих подложках и 1014-1017 см"3 для структур на сильнолегированных л+-подложках. Такие материалы используются для создания широкого спектра приборов и микросхем.

Метод фотоядерного легирования может быть использован с целью снижения концентрации электронов в ЭС ваАз п-типа проводимости, что представляет интерес при изготовлении силовых и опгоэлектрошсых приборов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Влияние свойств исходного материала и условий облучения в реакторе на закономерности пострадиационного отжига и процессы дефекто-образования в нейтронно трансмутационно легированных монокристаллах и эпитаксиальных слоях арсенида галлия.

2. Роль остаточной технологической примеси углерода в процессах радиационного дефектообразования в трансмутационно легированном ар-сениде галлия: комплексообразование атомов углерода с радиационными дефектами с образованием центров безызлучательной рекомбинации, ра-диахдаонно-стимулированная диффузия примеси углерода из подложки в эпитаксиальный слой,

3. Экспериментальное обоснование возможности фотоядерного легирования арсенида галлия и закономерности восстановления электрофизических и рекомбинационных свойств фотоядерно легированных эпигаксиаль-ных слоев арсенида галлия.

Личный вклад соискателя

Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном участии в постановке и проведении экспериментальных работ, в анализе, интерпретации и обобщении результатов.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на 6th International Conference on Shallow-Level Centers in Semiconductors (UC, Berkeley, 1994), 18th International Conference on Defects in Semiconductors (Japan, Sendai, 1995), конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995), 9th Conference on Semiconducting and Insulating Materials (France, Toulouse, 1996), 7th International Conference on Shallow-Level Centers in Semiconductors (Netherlands, Amsterdam, 1996).

Опубликованность результатов

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен после общих выводов по работе.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, общих выводов

по работе, списка использованных источников. Она изложена на страницах, содержит 37 рисунков, одну таблицу и библиографию из 124 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепии обоснована актуальность темы диссертации.

В общей характеристике работы сформулированы цель и основные задачи, научная новизна, практическая и экономическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен литературный обзор по проблеме трансмутационного легирования арсенида галлия. Проанализированы имеющиеся данные по влиянию условий облучения и характеристик исходных монокристаллов и эгаггаксиальных слоев баАв на электрофизические и рекомбинационные свойства нейтронно легированного арсенида галлия. Рассмотрены закономерности пострадиационного отжига и при-месно-дефектная структура НТЛ ваАз. На основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе описаны методы получения и характеристики исходных монокристаллов и ЭС ваАв, условия проведения облучения и пострадиационного отжига, методика подготовки образцов к измерениям, применявшиеся методы исследования электрофизических и рекомбинаци-онных свойств ТЛ материалов.

Объектами нейтронного легирования являлись специально не легированные полуизолирующие (р>107 Ом-см) и п-типа проводимости (п=1014-1017 см'3) объемные монокристаллы, полученные методом Чохраль-ского с жидкостной герметизацией расплава как с применением прямого синтеза, так и при использовании поликристаллического сырья, а также зпитаксиальные слои (п=1014-1015 см"3, (1=8-10 мкм), выращенные методами газофазной эпитаксии (хлоридным и МОС-гвдридным) на полуизолирующих и сильнолегированных п+ - подложках. Нейтронное легирование осуществлялось в диапазоне флюенсов тепловых нейтронов Фц)=1015-1019 см*2 при соотношениях плотностей потоков тепловых и быстрых (Е>0.1 МэВ) нейтронов фа, диапазоне 1-185.

Фотоядерному легированию подвергались эпитаксиальные слои, полученные методом хлоридной эпитаксии на полуизолирующих и п+ - подложках. Облучение осуществлялось тормозными у-квантами быстрых электронов с энергией Е=30 МэВ дозой В=3-1019 см"2.

Применявшийся в работе комплекс методов исследования электрофизических и рекомбинационных свойств ТЛ материалов включал измерение проводимости и эффекта Холла, анализ спектров фотолюминесценции (ФЛ) в спектральном диапазоне 1.0-1.6 эВ при температурах 4.2,77,300 К и

спектров нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (НЕСГУ) в интервале температур 77-400 К.

Третья глава посвящена анализу электрофизических свойств ней-гронио легированного СаАв.

Показано, что изменение удельного сопротивления кристаллов БаЛв, облученными реакторными нейтронами в одинаковых условиях (Ф^Ри-Уфс). зависит от уровня легирования исходных кристаллов. Данная зависимость ослабевает с увеличением "жесткости" нейтронного спектра.

Установлено, что характер восстановления электропроводности НТЛ ОаАэ при пострадиационном отжиге зависит как от характеристик исходного материала, так и от условий облучения, в частности, от "жесткости" нейтронного спектра.

Увеличение концентрации электронов в исходных образцах хьтипа приводит к более ранней стабилизации значений р, что наиболее отчетливо проявляется при облучении в наиболее "мягком" канале реактора (фй/фг=185). Облучение более "жестким" нейтронным спектром приводит к высокотемпературному сдвигу кривой отжига. При этом особенности, обусловленные различием исходных уровней легирования, ослабевают и после облучения при ф&/фр10 практически отсутствуют. Увеличение температуры восстановления электрических параметров ВДЛ полуизолирующего СаА,? по сравнению с аналогично облученными образцами п-типа связано с особенностями примесно-дефектного состава полуизолирующих кристаллов. Данные факты свидетельствуют о том, что спектр вводимых радиационных повреждений при трансмутационном легировании ОаАя зависит от положения уровня Ферми в облучаемых образцах. Результирующий уровень легирования НТЛ ОаАэ в использованных условиях облучения (Ф(Ь=5.1017 см'2, ф&/<Рг=10-185) не зависит от "жесткости" нейтронного спектра, а определяется наряду с флюенсом тепловых нейтронов величиной исходного уровня легирования образцов до облучения.

Характер восстановления концентрации электронов при изохронном отжиге в целом сходен с восстановлением удельного сопротивления, а изменение холловской подвижности (I при отжиге в большей степени зависит от условий облучения, чем от свойств исходных кристаллов. Восстановление подвижности в образцах, облученных при ф^фг^&з происходит в две стадии при температурах отжига 250-300°С и 450-500°С, тогда как для кристаллов, облученных при фа/фпЮ, при температурах отжига 200-400°С наблюдается резкий минимум зависимости ц^То»), что обусловлено обратной конверсией типа проводимости р-»я.

Установлено, что облучение флюексами фй,=(1-5)-1015 см'2 полуизолирующих кристаллов СаАв не приводит к утрате ими полуизолирующих свойств после пострадиационного отжига, что связано с захватом носителей с активируемых трансмутационных примесей на уровни собственных глубоких дефектов исходного материала. В то же время нейтронное лет-

рование флюенсами Фл=1016- 1017 см"2 приводит к проводимости р-типа с концентрацией дырок р~1013 см"3. Увеличение облучающего флюенса вызывает компенсацию дырочной проводимости, и при Фй>1017 см"2 кристаллы характеризуются проводимостью п-типа. Зависимость р(Фд) для НТЛ полуюолирующих кристаллов объясняется шменением в процессе НТЛ и последующего отжига баланса глубоких и мелких примесных и дефектных уровней, обуславливающего полуизолирующие свойства исходных кристаллов.

Показано, что хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений уровня легирования отожженных НТЛ кристаллов СэАб имеет место в диапазоне фшоенсов тепловых нейтронов Фа,=2-1017-5-10ш см"2. "Дефицит" концентрации электронов в НТЛ СаАз при больших уровнях трансмутационного легирования (Фцу>5-1018 см"2), сопровождающийся увеличением степени компенсации N»/N,1 и приводящий к фактическому насыщению зависимости п(Фл), обусловлен процессами комплексообразова-ния с участием трансмутационно вводимых мелких примесей ве и Бе.

Рассмотрены вопросы однородности НТЛ СаАз в зависимости от величины уровня трансмутационного легирования. Показано, что однородность распределения электрофизических свойств НТЛ ОаАэ возрастает по мере увеличения кратности легировшшя (отношения Пик/П««). Нейтронно легированные эпитаксиальные слои ваАБ превосходят по однородности ЭС аналогичного уровня легирования, полученные методами газофазной эпи-таксии.

В четвертой главе представлены результаты анализа рекомбина-цонных свойств НТЛ ваАв по данным исследования фотолюминесценции и спектров глубоких центров.

Установлены механизмы излучательной рекомбинации в НТЛ СаАв в зависимости от уровня трансмутационного легирования, температуры отжига облученных образцов и температуры регистрации спектров ФЛ.

Показано, что в нейтронно легированных ЭС и слаболегированных (Ф(Ь<1017 см"2) объемных кристаллах НТЛ ОаАэ акцепторная локализация трансмутационной примеси Се наблюдается сразу после облучения и остается стабильной в процессе пострадиационного отжига при температурах до 1000°С. Обнаружено, что в спектрах ФЛ отожженных НТЛ ЭС баАв интенсивность примесной полосы с участием акцепторов углерода близка к интенсивности экситонной полосы, что не типично для исходных ЭС, выращенных методом хлоридной эюттаксии, в которых интенсивность экситонной полосы в 4-20 раз превосходит интенсивность примесной полосы. Данный результат объясняется радиационно-стимулированной диффузией остаточных технологических акцепторов углерода из подложки в эпитакси-альный слой.

Рассмотрено влияние "жесткости" нейтронного спектра на излуча-тельную рекомбинацию и примесно-дефектное взаимодействие в НТЛ

СшАз. Установлено, что в кристаллах, облученных одинаковым флюенсом тепловых нейтронов Фй=5-1017 см"2 при различных соотношениях фЛ/фг=10-185, восстановление интенсивности рекомбинационного излучения происходит после отжига при температурах ТО1ж=400-500°С в зависимости от "жесткости" нейтронного спектра. Стационарные значения интенсивности краевой полосы для всех наследованных образцов достигаются после отжига при Тотж=700°С. Соотношение интенсивностей краевой и примесной (с участием остаточных акцепторов углерода) полос излучения на заключительной стадии отжига при ТО1Ж=800°С одинаково для каждого типа типа исходных кристаллов и не зависит от "жесткости" нейтронного спектра.

В процессе отжига НТЛ кристаллов наблюдалась перестройка примесной полосы с характерной стадией отжига при ТОГЖ=600-800°С. Трансформация примесной полосы в процессе отжига НТЛ СаАз, заключаящаяся в доминировании на начальных стадиях отжига (до ТО1Ж=400-600°С) полосы излучения, связанной с трансмутационными акцепторами Се, в то время как максимум примесной полосы после отжига при Т(ГОК>600°С соответствует межпримесным излучателышм переходам с участием остаточных акцепторов углерода, может быть объяснена комплексообразованием атомов углерода с радиационными дефектами. Распад данных комплексов, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации, происходит при температурах ТОГЖ=600-800°С.

В сильно облученном (Ф&>1018 см"2) НТЛ СаАэ положение максимума и характер трансформации краевой полосы в процессе отжига зависят от температуры измерения спектров ФЛ. Изменение положения максимума краевой полосы в зависимости от температуры измерения ФЛ свидетельствует о термоактивационном характере захвата дырок , когда наряду с захватом дырок на акцепторные состояния происходит их термическая активация в валентную зону. Трансформация данной полосы в процессе изохронного отжига указывает на перестройку полосы неосновных акцепторных состояний при увеличении температуры отжига.

Другой характерной особенностью сильнолегированных НТЛ кристаллов является присутствие полосы рекомбшационного излучения с максимумом около 1.2 эВ, интенсивность которой увеличивается с ростом нейтронного флюенса. Данная полоса связана с примесно-дефектными комплексами, включающими трансмутационные примеси ве и 8е.

Показано, что вид НЕСГУ-спекгров НТЛ полуизолирующих и п-типа (п=1016 см"3) кристаллов ОэАб. облученных флюенсом Фи,=5-10п см'2 при соотношениях ф(ь/ф£=10,185, существенно зависит как от "жесткости" облучающего спектра нейтронов, так и от типа исходных кристаллов. Значительный рост интенсивности так называемой и-полосы (Еа~0.66 эВ), связываемой с областями разупорядочения, при увеличении "жесткости" нейтронного спектра свидетельствует о доминирующем вкладе в И-полосу де-

фекгов, создаваемых быстрыми нейтронами. В облученных "жестким" нейтронным спектром (фа/фрю) полуизолирующих кристаллах U-полоса больше по амплитуде, а ее максимум сдвинут в сторону низких температур по сравнению с НТЛ кристаллами n-типа, что свидетельствует в пользу того, что спектр дефектов в U-полосе зависит от положения уровня Ферми в исходном необлученном материале. В процессе отжига происходит уменьшение амплитуды U-полосы наряду со смещением максимума полосы в сторону высоких температур, что свидетельствует о перестройке U-полосы. Термообработка при температуре TOT¡K=550°C приводит к исчезновению U-полосы.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию электрических и рекомбинационных свойств фотоядерно легированного (ФЯЛ) арсенида галлия. Описаны закономерности восстановления свойств ФЯЛ ЭС GaAs в процессе изохронного отжига.

Установлено, что восстановление электрических параметров ФЯЛ ЭС GaAs происходит в диапазоне температур ТОТЖ~200-500°С, при больших температурах отжига параметры образцов стабилизируются. Отличия характера отжига ФЯЛ ЭС от случая облучения у-квантами 60Со связаны с введением при облучении высокоэнергетическими у-квантами разупорядо-чешшх областей. Проведенная оценка суммарной концентрации ионизованных примесей в исходных и легированных образцах, показала увеличение N=Na+Nd от 1.4-1015 см"3 до 3.0-1055 см*3, сопровождающееся ростом степени компенсации Na/N,j от 0.7 до 0.85.

Исследование спектров глубоких центров показало, что основную роль в процессе пострадиационного отжига ФЯЛ ЭС GaAs играет изменение концентраций ловушек Р1 (Еа=0.36 эВ) и Р2 (Еа=0.48 эВ). Показано, что центр Р1 является вторичным радиоционным дефектом, отжигающимся при температуре ТО1Ж=650°С. Данная ловушка является наиболее термостабильной из всех центров радиоционного происхождения, наблюдаемых в ТЛ GaAs. Ловушка Р2 исчезает после отжига при температуре Тотж= 600°С. Предположительно центры Р1 и Р2 являются примесно-дефектными комплексами, включающими атомы остаточных технологических примесей. Соотношение скоростей введения ловушек Р2 и РЗ (Еа=0.75 эВ) зависело от уровня легирования исходных ЭС.

Существенной особенностью спектров ФЛ ФЯЛ ЭС является присутствие полос излучения, связанных с примесными и межпримесными переходами с участием трансмутационных акцепторов цинка, хотя обнаружить полосы излучения с участием трансмутационных акцепторов Ge не удалось вследствие их низкой концентрации и присутствия в данной области спектра интенсивного фононного повторения экситонных линий. Обнаружено, что в отличие от исходных ЭС в спектрах ФЛ облученых и отжженных образцов отчетливо проявляются примесные полосы с участием акцепторов углерода, что обусловлено радиационно стимулированной диффузией оста-

точных технологических акцепторов углерода из подложечного материала в эпитаксиальный слой в процессе облучения. Компенсация исходных ЭС ОаАв при ФЯЛ обусловлена введением трансмутационных акцепторов Ъп и раднационно-стнмулированной диффузией акцепторов углерода.

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведены систематические исследования влияния исходного уровня легирования кристаллов и "жесткости" нейтронного спектра на электрические и рекомбинационные свойства нейгронно легированного арсенида галлия. Установлено, что увеличение концентрации электронов в исходных кристаллах арсенида галлия приводит к снижению температуры восстановления свойств НТЛ ОаАэ, облученного в одинаковых условиях (Фйцфщ/фг^сош!), что свидетельствует о зависимости спектра радиационных дефектов в НТЛ ОаАэ от положения уровня Ферми в исходном материале. Увеличение "жесткости" нейтронного спектра нивелирует особенности отжига НТЛ ваЛв, обусловленные свойствами исходного материала, и увеличивает температуру восстановления электрических и реком-бинационных свойств.

2. Показано, что эффект трансмутационного легирования в нелегированных полуизолирующих кристаллах БаЛв, выращенных методом Чох-ральского, проявляется при облучении флюенсами тепловых нейтронов, превышающими МО17 см'2. Отсутствие эффекта легирования при облучении меньшими флюенсами связано с влиянием собственных глубоких ловушек и образованием в процессе облучения и отжига устойчивых дефектов, проявляющих акцепторные свойства "Дефицит" концентрации электронов при уровнях трансмутационного легирования, превышающих -5-1017 см"3, связан с процессами комплексообразования с участием атомов трансмутационных примесей ве и Бе.

3. Показано, что в нейтронно легированных эпигасиальных слоях и слаболегированных (Фл<1017 см'2) объемных кристаллах НТЛ СаАэ акцепторная локализация трансмутационной примеси ве наблюдается сразу после облучения и остается стабильной в процессе пострадиационного отжига при температурах до 1000°С.

4. Установлено, что трансформация полосы межпримесных оптических переходов в процессе отжига НТЛ ваЛв обусловлена образованием при нейтронном облучении примесно-дефектных комплексов, включающих атомы остаточной технологической примеси углерода. Распад данных комплексов, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации, происходит при температурах отжига Т№К=600-800°С.

5. Обнаружена радиационно-стимулированная диффузия остаточной технологической примеси углерода из подложки в эшггаксиальный слой в

нейтронно и фотоядерно легированных эпитаксиалышх слоях ОаАя, проявляющаяся в возрастании относительной интенсивности полосы межпримесных оптических переходов с участием акцепторов углерода

6. Показано, что при фиксированном флюенсе тепловых нейтроноз амплитуда и-полосы в спектрах НЕСГУ зависит о "жесткости" нейтронного спектра, что является следствием доминирующего вклада в и-полосу дефектов, создаваемых быстрыми нейтронами. Характер проявления и-полосы в НЕСГУ-спектрах НТЛ СаЛв зависит от положения уровня Ферми в исходных кристаллах, что указывает на связь дефектов в и-полосе с фоновыми технологическими примесями в исходном материале.

7. Впервые проведены исследования электрофизических и рекомби-нащюнных свойств фотоядерно легированных эпигаксиальных слоев арсе-нида галлия. Установлено, что восстановление свойств данных материалов происходит при температурах отжига, превышающих 500°С. Показано, что основную роль в процессе отжига ФЯЛ ЭС ОзАб играют радиациошше дефекты Р1 и Р2. Обнаружено, что причиной компенсации ФЯЛ ЭС ОзАз п-типа является введение трансмутационных акцепторов и радиацион-но-стимулированная диффузия акцепторов углерода из подложки в эпитак-сиалышй слой.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Карпович Л.М., Коршунов Ф.П., Солодовников Е.С., Утенко В.И., А-В.Фотин, В.Ф.Шох. Электрические свойства ядерно-легированных эпи-таксиальных слоев арсенида галлия // Доклады Академии наук Беларуси.-1992,-Том 36,- N 11-12.- С.982-984.

2. Коршунов Ф.П., Карпович Л.М., Солодовников Е.С., Утенко В.И., Шох В.Ф.. Влияние жесткости спектра реакторных нейтронов на отжиг ядерно-легированного арсенида галлия // Becui Акадэмн Навук Беларуси Сэрш ф!з.-мат. навук,- 1995,- N 2.- С. 50-53. '

3. Bykovsky V.A., Dolgikh N.I., Emtsev V.V., Haller E.E, Hitko V.I., Karpovich L.M., Shoh V.F., Utenko V.I.. Impurity-defect complexes in neutron transmutation doped gallium arsenide and germanium crystals // Mater. Science Forum.- 1995.- Vols. 196-201,- P. 1413-1418.

4. Bykovsky V.A., Khit'ko V.I., Shoh V.F., Utënko V.I. Photoluminescence study of shallow impurities localization in transmutation doped GaAs II Solid State Commun. 1995.-Vol.93,- N 5.- P. 459.

5. Быковский B.A., Карпович Л.М., Коршунов Ф.П., Хитько В.И., 111охгВ.Ф. Люминесцентный анализ примесно-дефектного взаимодействия в ядерно легированном арсениде галлия, полученном в различных условиях облучения и роста кристаллов // Взаимодействие излучений с твердым телом: Тезисы конф.-Минск, 1995.-С.64.

6. Демченко А.И., Карась В.И., Карпович Л.М., Коршунов Ф.П., Шох В.Ф. Электрические свойства и емкостная спектроскопия глубоких уровней в ядерно легированном арсениде галлия // Взаимодействие излучений с твердым телом: Тезисы конф,- Минск, 1995.- С.122.

7. Акулович Н.И., Быковский В.А., Карпович Л.М., Петренко В.В., Утенко В.И., ШохВ.Ф.. Введение акцепторных примесей при фотоядерном легировании арсенида галлия // ФТП. -1996.- Том 30.- Вып.2,- С.285-291.

8. Bykovsky V.A., Karas V.I., Shoh V.F., Strzclecka S, Hruban A, Gladysz M. Influence of fast neutrons on the recombination and electrical properties of neutron transmuted doped GaAs // Book of Abstructs IEEE SIMC-9.-To!ouse.- 1996.-P.104.

9. Быковский B.A., Дутов А.Г., Иванченко В.Й., Игнатьев Г.Е., Коршунов Ф.П., Стрелецка С., Утенко В.И., Хрубан А., Шох В.Ф. Влияние режимов термообработки на электрофизические и оптические свойства полуизолирующих монокристаллов арсенида галлия диаметром до 80 мм // Высокочистые вещества. 1996.- N 4,- С.27-30.

10. Быковский В.А., Коршунов Ф.П., Солодовников Е.С., Утенко В.И., Шох В.Ф. Излучательная рекомбинация и примесно-дефектное взаимодействие в ядерно-легированном арсенвде галлия, полученном в различных условиях обучения и роста кристаллов // ФТП. 1996,- Том 30,-Вып.7,- С.1304-1312.

11. Akulovich N.I., Bykovsky V.A., Demchenko A.I., Karas V.I., Korshunov F.P., Muhin V.I., Petrenko V.V., Shoh V.F. Luminescence and DLTS study of photonuclear transmutation doped (PTD) gallium arsenide H Book of Abstracts 1С SLCS-7. - Amsterdam.- 1996.-P.45.

РЕЗЮМЕ

Шох Владимир Федорович. Электрофизические и рекомбинациошше свойства трансмутационио легированных монокристаллов и эпитаксальных слоев арсенида галлия.

Ключевые слова: арсенид галлия, монокристаллы, эпигаксиальные слои, нейтронное трансмутационное легирование, фотоядерное легирование, отжиг, проводимость, эффект Холла, фотолюминесценция, радиационные дефекты.

Проведены комплексные исследования электрофизических и реком-бинационных свойств нейтронно (НТЛ) и фотоядерно (ФЯЛ) легированного арсенида галлия, используя методы измерения проводимости и эффекта Холла, фотолюминесценции и нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней.

Рассмотрено влияние свойств исходного материала и условий облучения на закономерности пострадиационного отжига и процессы дефекто-образования в НТЛ монокристаллах и эпитаксиальных слоях (ЭС) СаАз. Обсуждается роль остаточной технологической примеси углерода в процессах радиационного дефектообразования в трансмутационио легированном озаб: взаимодействие атомов углерода с радиационными дефектами с образованием центров безызлучательной рекомбинации, радиационно-стимулированная диффузия примеси углерода из подложки в элит аксиальный слой. Рассмотрены механизмы излучательной рекомбинации и при-месно-дефектная структура НТЛ ОаАэ.

Впервые исследованы закономерности восстановления в процессе изохронного отжига электрофизических и рекомбинационных свойств ЭС ОаАз, облученных с целью трансмутационного легирования тормозными у-квантами быстрых электронов. Рассмотрена примесно-дефектная структура ФЯЛ ЭС ОаАБ.

РЭЗЮМЭ

Шох Уладзш1р Фйдаравгё. ЭлектрафЬ1чныя 1 рэкамбшацыйныя уласщвасщ трансмутацыйна леправаных монакрышталяу 1 эштакс^яльных слаёу арсешда галдо.

Ключавыя словы: арсешд галпо, монакрыштал1, этташялъныя сла1 нейтроннае трансмутацыйнае леправанне, фотаядзернае леправанне, ад-пал, праводнасць, эфект Хола, фоталюмшесцэнцыя, радыяцыйныя дэ-фекты.

Праведзены комплексныя даследаванш электраф131'чных 1 рэкам-бшацыйных уласщвасцяу нейтронна (НТЛ) 1 фотаядеерна (ФЯЛ) ле-праванага арсешда гално, выкарыстоуваючы метады вымярзння право-днасщ I зфекту Хола, фоталкшшесцзнцьн 1 нестацыянарнай ё\нстаснай спектраскапн глыбоюх узроуняу.

Разгледжаны уплыу улаацвасцяу зыходнага матэрыялу 1 умо^ апра-меньвання на заканамернасщ пострадыяцыйнага адпалу i працзсы дэфэк-таутвашння у НТЛ монакрыпггалях 1 эттакс1ялъных слаях (ЭС) ваЛв. Аб-мяркоуваецца роля асгаткавай прымея вутляроду ^ працэсах радыяцыйна-га дэфектаутварэтш у трансмутацыйна леправаным ОаАв: узаемадзеянне атамау вугляроду з радыяцыйнькш дэфектам1 з утварзннем центрау безвы-праменьвальнай рэкамбшацш, радыяцыйна-стымуляваная дыфузш прымеа вугляроду з падложм у эттакаяльны слой. Разгледжаны мехашзмы вы-праменьвальнай рзкамбшацьн1 прымесна-дэфектная структура НТЛ баАз

Упершышо даследаваны заканамернасщ аднаулення у працэсе вахроннага адпалу электраф1'з1чных I рэкамбшацыйных уласщвасцяу ЭС ОаАэ, апрамененых з мэтай трансмутацыйнага леправання тармазным1 у-квантам! хутих электронау. Разгледжана прымесна-дэфектная структура ФЯЛ ЭС ваАз.

resume

Vladimir F. Shoh. Electrophysical and recombination properties of transmutation doped gallium arsenide single crystals and epitaxial layers.

Key words: gallium arsenide, single crystal, epilaers, neutron transmutation doping, photonuclear transmutation doping, annealing, conductivity, Hall effect, photoluminescence, radiation-induced defects.

Combined investigation of electrophysical and recombination properties of neutron (NTD) and photonuclear (PTD) transmutation doped gallium arsenide was carried out using conductivity and Hall effect measurements, photoluminescence and deep level transient spectroscopy methods.

The effect of starting GaAs properties and radiation conditions on postradiation annealing characteristic features and defect formation processes in NTD GaAs single crystals and epilayers was investigated. Residual carbon impurity influence in the processes of radiation-induced defect (RID) formation in transmutation doped GaAs is discussed, i.e. carbon atoms' and RID interaction with the formation of non-radiative recombination centers, carbon impurity radiation-assisted diffusion from substrate into epilayer. The mechanisms of radiative recombination and impurity-defect structure of NTD GaAs are considered.

For the first time there were studied characteristic features of electrophysical and recombination properties recovery during isochronous annealing process of GaAs epilayers, which were irradiated with the aim of transmutation dopind by bremsstrahlung of fast electrons. Impurity-defect structure of PTD GaAs epilayers is considered.

ШОХ Владимир Федорович

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТРАНСМУТАЦИОННО ЛЕГИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ II ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Подписано к печати 2 2.04.97 1997 г. Формат 60х90х 1/16 Тип бумаги - типографская. Печать офсетная. Печ. л. 1,25 Уч. изд. л. 0.75* Тираж 100 экз. - Заказ 5$

Институт Физики им. Б.И. Степанова АН Беларуси 220072 Минск, Пр. Ф. Скорины 70

Отпечатано на ризографе Института Физики им. Б.И. Степанова АН Беларуси

Лицензия ЛВ № 685 от 23.12.1993.