Исследование эффекта спонтанного упорядочения примесных комплексов в арсениде галлия n-типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТр ^ ^ 0 д

/ иг

На правах рукописи

Давлеткильдеев Надим Анварович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА СПОНТАННОГО УПОРЯДОЧЕНИЯ ПРИМЕСНЫХ КОМПЛЕКСОВ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ п-ТИПА

Специальность 01.04.10 — Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Омск -2000

Работа выполнена в Омском государственном университете и Институте сенсорной микроэлектроники СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, * • профессор H.A. Семиколенова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.Ф. Кравченко

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, г. Томск

Защита состоится " _4_ " июля 2000 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 064.36.03 при Омском государственном университете (644077, г. Омск, пр. Мира, 55А).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета.

Автореферат разослан "_"_2000 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, доцент —' В.Н.Сергеев

доктор химических наук, профессор И.А. Кировская

В 2 13. Л Г/. %0 3

J

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Прогресс в области физики твердого тела и физики полупроводников в настоящее время в значительной мере обусловлен возможностями создания и изучения новых объектов пониженной размерности с квантовыми свойствами -квантовых точек, квантовых проволок и их пространственных комбинаций -сверхрешеток. Однако, физические пределы традиционных способов получения таких объектов с характерными размерами 1-100 нм, при которых наиболее полно проявляются их квантовые свойства, ограничены. Поэтому большие надежды по созданию объектов пониженной размерности возлагаются на технологии, использующие эффекты их самоорганизации в определенных условиях выращивания, в условиях фазовых переходов, разделения фаз в гетерофазных системах и в процессе контролируемых внешних воздействий. Далеко не исчерпанным в этом отношении остается и традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов, основанный на использовании процессов легирования их примесями. Упругое, кулоновское или химическое взаимодействие с участием атомов основного вещества, атомов легирующих примесей, а также собственных точечных структурных дефектов может приводить к образованию в полупроводнике различного рода комплексов. Многие из образующихся в результате таких взаимодействий комплексов обладают достаточно высокой устойчивостью и оказывают существенное влияние на свойства полупроводника, являясь эффективными центрами излучательной и безызлучательной рекомбинации, определяя степень компенсации, концентрацию и характер рассеяния носителей заряда, фоточувствительность и ряд других важных характеристик материала. Явления комплексообразования достаточно хорошо исследованы на примере германия, кремния, арсенида галлия. В то же врем процессы упорядочения структурных комплексов в полупроводниках, эффекты спонтанного образования сверхструктур при определенных уровнях легирования, экспериментально обнаруженные в широком классе полупроводниковых материалов, не имеют сегодня достаточно полного физического обоснования несмотря на фундаментальный характер проблемы. Нет четкого представления о механизме процессов самоорганизации в легированных полупроводниках, о поведении самоорганизующихся систем при воздействии внешних факторов (электрических и тепловых полей, оптического излучения,

радиационного воздействия). Поэтому большой интерес и актуальность представляет исследование эффектов упорядочения структурных комплексов в легированных полупроводниках, влияния упорядочения на фундаментальные свойства материала, изучение возможности получения упорядоченного состояния и его устойчивости при внешних воздействиях.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы являлось исследование особенностей оптических и электрофизических свойств арсенида галлия п-типа, обусловленных образованием длиннопериодичной сверхструктуры примесных комплексов и влияния радиационного воздействия на процессы упорядочения в примесной подрешетке.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решались следующие задачи:

1. Исследование зависимости структуры спектров краевой фотолюминесценции (ФЛ) монокристаллов СаАз:Те от уровня легирования, температуры и интенсивности возбуждения ФЛ;

2. Разработка качественной модели энергетической зонной схемы системы ОаАБ:Те при образовании сверхструктуры примесных комплексов;

3. Изучение влияния уровня легирования на температурное поведение термодинамических параметров и кинетических свойств носителей заряда в монокристаллах ОаАБ:Те;

4. Исследование влияния у-облучения различной интенсивности на процессы упорядочения примесных комплексов в монокристаллах ОаАн'.Те.

Научная новизна работы.

1. Обнаружено, что в монокристаллах арсенида галлия, легированного теллуром при концентрации свободных носителей заряда п0 > 2x1018 см"3 и интенсивностях возбуждения ФЛ Ь > 1019 квант-см"2с"' низкотемпературный спектр "близкраевой" ФЛ имеет структуру, обусловленную наличием двух перекрывающихся полос излучения. На основе детального анализа формы спектра ФЛ, выполненного с использованием моделей ВВ- и ВТ-рекомбинации, установлено, что полосы ФЛ относятся к межзонным оптическим переходам.

2. Показано, что структура спектра краевой ФЛ при п0 > 2x1018 см*3 обусловлена модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости

вследствие образования минизонного электронного энергетического спектра.

3. В монокристаллах ОаАз:Те в области критических концентраций свободных носителей заряда п0 = (3 - 4)х 1018 см'3 впервые обнаружена нерегулярная зависимость теплоемкости и электропроводности от температуры при Г~ 300 К, характерная для фазовых переходов первого рода. Данное фазовое превращение идентифицируется как электронный фазовый переход.

4. В монокристаллах ОаАз:Те с критической концентрацией свободных носителей заряда п0 ~ (3 - 4)х 1018 см'3 впервые обнаружено возрастание холловской подвижности свободных носителей заряда до значений, характерных для слабо легированных образцов. Показано, что увеличение подвижности носителей заряда обусловлено уменьшением вклада рассеяния на ионах примеси вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов.

5. Обнаружен эффект радиационно-стимулированного упорядочения примесных комплексов в области предкрптических концентраций свободных носителей заряда я = (1,2 - 2,5)хЮ'5 см"3.

Практическая значимость работы.

Расширяется возможность применения арсенида галлия, так как в области упорядочения примесных комплексов исследуемый материал представляет собой новый класс сильно легированных полупроводников, кинетические явления в которых не контролируются уровнем легирования. Обнаруженное явление открывает возможность создания новых технических решений (в том числе и объектов пониженной размерности) на базе модулированной структуры с малым (по сравнению с искусственными сверхрешетками) вектором трансляции. Твердотельная база современной электроники, опто-, акустоэлектроники, интегральной оптики использует переходы с градиентом концентрации в широком диапазоне, поэтому правильный учет явления фазовых переходов позволит организовать технологический процесс по детерминированному пути, обеспечить лучшую воспроизводимость параметров полупроводника.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Изменение структуры спектров собственной излучательной рекомбинации в ваАвгТе при критических концентрациях свободных носителей заряда п0= (3 - 4)х1018 см"3 обусловлено модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости вследствие образования минизонного

электронного гргетического спектра.

2. Температурный фазовый переход в монокристаллах ОаАБ:Те при критических концентрациях свободных носителей заряда п0= (3 - 4)х10'8 см-3, обусловленный процессом "электронного диспергирования".

3. Увеличение подвижности свободных носителей заряда в монокристаллах ОаАБ:Те при критических концентрациях свободных носителей заряда п0 = (3 - 4)х1018 см"3 обусловлено уменьшением вклада рассеяния на ионизированных примесях вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов.

4. Эффект радиационно-стимулированного упорядочения в области предкритических концентраций свободных носителей заряда в монокристаллах ОаАБ:Те.

Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург- 1996 г., Москва - 1997 г., Новосибирск - 1999 г.), Седьмой Российской конференции "ОаАз - 99" (Томск - 1999 г.), Международных конференциях по физике полупроводников (Берлин, Германия - 1996 г., Иерусалим, Израиль -1998 г.), Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск - 1997 г.), Международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск - 1998 г.), Международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск - 1998 г.).

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и содержит 124 страницы машинописного текста, 56 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, приведены основные положения,

выносимые на защиту, отмечена научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе представлены литературные данные об эффектах пространственной примесной корреляции в полупроводниках при малых концентрациях (~ 1 ат. %) примесного компонента. Рассмотрены основные типы корреляции, обусловленные характером взаимодействия (кулоновское, деформационное, магнитное) между примесями. Приведены основные модельные представления, привлекаемые авторами для объяснения наблюдаемых особенностей электрофизических свойств полупроводников. Особое внимание уделяется эффектам примесной корреляции в арсениде галлия. На основе проведенного обзора литературных данных в заключении главы сформулирована цель диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты исследования структуры спектров краевой ФЛ монокристаллов арсенида галлия, легированного теллуром, с концентрацией свободных носителей заряда пд = 10" - 1019 см'3 при различных температурах {Т =11 - 300 К) и интенсивностях возбуждения ФЛ (I = ЗхЮ18 -2x1021 квант-см"2с"'). В качестве источников возбуждающего излучения использовались Не-Ме (ЛГН-П8А) и Аг+ (ЛГ-503) лазеры с А, = 632.8 нм и X = 488 нм, соответственно.

Монокристаллы арсенида галлия во всей области легирования выращены методом Чохральского по единой технологии из расплавов стехиометрического состава (V ~ 2 см/час, V - 10 рад/мин, Ржрт - 1,5 атм)'. Концентрация остаточных примесей в образцах согласно масс-спектрометрическим измерениям составляла: Сг, Мп, Ре, Си ~ 5х10'4 ат/см\ В, С, О ~ 5х1015 ат/см3.

На основе моделей ВТ- и ВВ-рекомбинации в работе проведен детальный анализ формы экспериментальных спектров краевой ФЛ. Модель ВВ-рекомбинации рассматривает прямую рекомбинацию свободных электронов и дырок, модель ВТ-рекомбинации предполагает, что неосновные носители заряда захватываются на локализованные состояния акцепторного типа в хвосте плотности состояний вблизи валентной зоны, а затем уже рекомбинируют с электронами.

Выделены две концентрационные области: п0<2хЮ'8 см"3 и «в>2х1018 см"3 (рис. 1). В области концентраций свободных носителей заряда п0 < 2x1018 см"3 в спектрах ФЛ кроме краевой полосы А наблюдается примесная полоса В с энергией

ТИРедМет (г.. Москва)

максимума 1,2 эВ, которая обусловлена электронными переходами внутри

центра ^^0аТеА5 [1]. Показано, что при интенсивностях возбуждения Ь < 1020 квант-см"2с"' форма спектра краевой ФЛ качественно согласуется с моделью ВТ-рекомбинации, а при Ь > 1020 квант-см"2с"' наблюдаемые спектры ФЛ являются

результатом ВВ-переходов. Из сопоставления модельных спектров ФЛ с экспериментальными были найдены следующие параметры: сужение ширины запрещенной зоны ЛЕ^ среднеквадратичная флуктуация примесного потенциала у, энергия Ферми' Ег Концентрационные зависимости этих параметров, полученные по двум моделям, хорошо согласуются между собой и с литературными данными.

При концентрациях свободных носителей заряда п0> 2х 1018 см"3 происходит смена состава доминирующих примесных рекомбинационных центров. В спектре ФЛ помимо краевой полосы А наблюдается интенсивная примесная полоса С с энергией максимума Ьатш.= 1,34 - 1,4 эВ (рис. 1), за которую ответственен комплекс У0ТеАУА5 [2].

Обнаружено, что при интенсивностях возбуждения ФЛ£>1019квант-см"2с"', когда примесный канал рекомбинации насыщен, спектр "близкраевой" ФЛ в этом интервале концентраций свободных носителей заряда имеет структуру, обусловленную наличием двух перекрывающихся полос излучения (рис. 2). Высокоэнергетичная полоса А является краевой и обусловлена ВВ-переходами. Вторая полоса Б с меньшей энергией может быть формально приписана оптическим переходам с участием некоторого акцепторного уровня (ВА-рекомбинация). Из анализа спектра ФЛ получена величина энергии ионизации неизвестного акцептора Еа ~ 0,04 эВ. Согласно литературным данным по температурному гашению ФЛ [3], примесная полоса, соответствующая акцептору с таким значением Е, должна исчезать при Т > 77 К ввиду почти полной

Рис. 1. Типичные спектры ФЛ монокристалов ОаАз:Те с концентрациями свободных носителей заряда и0< 2х1018 см"3 и и0>2хЮ18 см'3. Интенсивность возбуждения ФЛ Ь = 5х1019 квант-см"2с"'.

Г-77 К

1.5 1.6 1.7

Энергия кванта Ьсо, эВ

Рис. 2. Спектры "близкраевой" ФЛ монокристаллов ОаАх:Те с п0>2хЮ15 см". I = 10"° квантсм'2с"'

термической ионизации акцепторного уровня, однако полоса О наблюдается вплоть до температуры 160 К. Исследование зависимости интенсивности ФЛ от уровня возбуждения показало, что поведение полосы Б с ростом интенсивности возбуждения идентично поведению полосы А. Это означает, что нет значительного

различия плотностей дырочных состояний, принимающих участие в этих оптических переходах. Поэтому полоса О, также как и полоса А, относится к межзонным оптическим переходам.

На основе анализа спектра "близкраевой" ФЛ сделан вывод о том, что структура спектра монокристаллов ОаАэЛ'е при п0 > 2х1018 см"3 обусловлена модификацией функции плотности состояний (ПС) в зоне проводимости (рис.3). Для объяснения наблюдаемых особенностей спектров краевой ФЛ в ОаАз:Те предложена качественная модель образования в кристалле длиннонериодичной сверхструктуры примесных комплексов. Согласно этой модели при п0~ ЗхЮ18 см"3 в кристалле формируется упругая сверхструктура из локальных областей растянутых донорными и сжатых акцепторными комплексами. При реализации состояния системы, соответствующего минимуму свободной энергии, локальные области, растянутые и сжатые комплексами взаимно уравновешивают друг друга, формируется упругая регулярная сверхструктура примесных комплексов, что подтверждается электронномикроскопическими исследованиями [4].Образование такой упорядоченной сверхструктуры происходит не во всем кристалле, а в некоторых микрообластях. Подтверждение существованию таких микрообластей было получено при исследовании топографии ювенильных поверхностей монокристаллов ОаАз:Те методом атомно-силовой микроскопии. Для образцов с концентрациями свободных носителей заряда п0 < 2x10" см"3 характерна ровная поверхность скола с незначительными вкраплениями поверхностных дефектов. В области концентраций пд ~ ЗхЮ18 см"3 наблюдается

сильная модуляция поверхности скола, связанная с выходом этих микрообластей на поверхность кристалла.

Чередование донорных и акцепторных комплексов в узлах сверхструкгуры приводит к пространственной модуляции краев валентной зоны и зоны проводимости. Модификация электронной ПС в исследуемых кристаллах

обусловлена образованием минизонного электронного спектра, сильно диспергированного, как в случае искусственных коротко-периодичных 5-легированных структур. Предполагается, что полоса Б обусловлена переходами электронов из первой минизоны, а более интенсивная полоса А, обусловленная ВВ-рекомбинацией, указывает на наличие почти трехмерного электронного газа и соответствует электронным переходам из континуума зоны проводимости.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований концентрационных и температурных зависимостей теплоемкости и электропроводности монокристаллов арсенида галлия, легированного теллуром, а также подвижности свободных носителей заряда в области концентраций п0 = 3,8хЮп - 5,6x1018 см'3.

Обнаружено, что для образцов с концентрациями п0 = 2,9x1018 и 3,3x10'® см"3 на функциональной зависимости удельной теплоемкости С (7) наблюдается скачок при Т ~ 300 К (рис. 4), свидетельствующий о том, что в этих образцах происходит фазовый переход. Значения термодинамических параметров перехода (для образца с пв = 2,9x10й см-3 скрытая теплота перехода А() - 0,009 Дж-г"1, а соответствующий ей скачок энтропии АБ = ЗхЮ"5 Дж-г'К"', для образца с и0 =3,3 х 1018 см"3 = 0,03 Дж-г"1 и 10"4 Дж-г'К"1) показывают, что данное фазовое превращение характеризуется малым скачком состояния системы и является фазовым переходом первого рода, близким ко второму. Исследования температурной зависимости удельной электропроводности

о о

« 2

о

Е 0.05 0.10 0.15

Энергия Лш-Е8> эВ

Рис. 3. Модельные плотности состояний зоны

проводимости используемые для анализа спектров ФЛ монокристалов ОаАз:Те сп0< 1018 см"3 (1) и л0~Зх1018 см"3(2).

0.40 0.38 0 36 0.34 0.32 0.30 0.28

0.26 280

Си

. 4Х10:еСМ'3

--- 3,3х10'$см"3

— 2,9ХЮ'8см"'

-------------- ш'

290

320

30

показали, что для образцов, с теми же концентрациями свободных носителей заряда, на которых наблюдался скачок зависимости Ст(Т), характерно

пикообразное поведение зависимости <т (7) при Т~ 300 К (рис. 5). На основании этого сделано предположение, что фазовый переход имеет электронную природу. Предполагается, что в области концентраций свободных носителей заряда п0 = (3 - 4)хЗ О18 см'3 образуется крупномасштабная упругая сверхструктура заряженных примесных комплексов. Периодическое распределение кулоновского и деформационного потенциала стимулирует процесс "электронного диспергирования" - неоднородного периодического распределения электронной плотности, который имеет характер фазового перехода первого рода. Предполагается, что при температуре фазового перехода Т ~ 300 К в монокристаллах СаАБ'.Те происходит слабая локализация носителей заряда в периодических областях с измененным пространственным зарядом и деформационным потенциалом. В области фазового перехода наблюдается резкое уменьшение проводимости кристаллов, связанное с захватом электронов на эти области. Процесс "электронного диспергирования" аналогичен процессу перераспределения электронной плотности в искусственных 5-легированных

зоо 310

Температура Т, К

Рис 4. Температурная зависимость удельной теплоемкости монокристаллов ОаА5:Те с различными концентрациями свободных носителей заряда.

1600 ¡500 1400 1300 1200 1100 1000

г^ю" см'5

2,4x10 см'"

306

900

294 296 298 300 302 304 Температура Т, К

Рис. 5. Температурная зависимость удельной электропроводности монокристаллов ОаАз:Те с различными концентрациями свободных носителей заряда.

3200

2700

2200

Й

0

1

5

еа §

с

1700

1200 10"

\ ----- щ \

\Г\ \ \\ \ • \\ 1 --4 ^ | V

сверхрешетках.

Проведено измерение концентрационной и температурной зависимостей хояловской подвижности свободных носителей заряда в области концентраций

п0 =3,8x10"- 5,6x1018 см"3. В образцах с концентрацией «0 = (3 - 4)х1018 см"3 обнаружено возрастание хол-ловской подвижности свободных носителей заряда до значений, характерных для слабо легированных образцов (рис. 6), что не соответствует представлениям теории Брукса-Херринга, справедливой для подвижности носителей заряда при рассеянии на случайно распределенных ионизированных примесях. Возрастание подвижности свободных носителей заряда при пв = (3 - 4)хЮ'8 см"3 объясняется уменьшением вклада рассеяния на ионах примеси. При образовании упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов, эти комплексы, будучи увязанными в подструктуры перестают быть электрически активными центрами, сечение рассеяния существенно уменьшается, время релаксации импульса электронов и их подвижность возрастают. Доминирующим, как и в слабо легированных кристаллах становится рассеяние на колебаниях решетки. Эти данные хорошо согласуются со значениями подвижности, рассчитаными с использованием значений среднего времени релаксации импульса электронов, полученных в работе [5], где их возрастание при концентрации п0 - (3 - 4)х 1018 см"3, связывается с упорядочением в примесной подрешетке, и с результатами исследования поглощения ИК-излучения свободными носителями заряда [6].

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования влияния у-облучения 60Со различной интенсивности (Р = 1,7х 103 и

Ю'» 10"

Концентрация свободных носителей заряда п0, см"3

Рис. б. Зависимость подвижности свободных носителей заряда от концентрации в монокристаллах ОаАз:Те. 1,2 - измеренная холловская подвижность при 300 К (1) и 77 К (2), 3 - дрейфовая подвижность, рассчитанная по формуле Брукса-Херринга при 77 К, дрейфовая подвижность, рассчитанная с использованием результатов работы [5].

4,8x1 (У Гр-ч'!) на параметры излучательной рекомбинации в монокристаллах ЭаАз:Те с предкритическими концентрациями свободных носителей заряда п0 = (1,2 — 2,5)х1018 см'3.

При облучении образца с концентрацией свободных носителей заряда п0= 1,3х1018см"3 (интенсивность у-излучения Р = 4,8х103 Гр-ч"') параметры ФЛ (интенсивность, положение спектрального максимума, ширина полосы излучения) во всем диапазоне доз облучения изменяются немонотонным образом. Показано, что основной причиной таких изменений является изменение безызлучательного времени жизни неосновных носителей заряда. В образце с концентрацией свободных носителей заряда п0= 2,4х1018см'3 при у-облучении дозами £) = (0,3 8 - 0,46)х 105 Гр обнаружен значительный спад интенсивности примесной полосы и возрастание краевой полосы ФЛ. Спектральные максимумы полос ФЛ одновременно сдвигаются в сторону меньших энергий на значение АЕ ~ 0,04 эВ. При этих же дозах облучения наблюдается уширение спектральных полос ФЛ. Аналогичные изменения в спектрах ФЛ обнаружены в образце с концентрацией свободных носителей заряда п = 1,3х 1018 см"3 при облучении дозой £> = 0,05x105 Гр (интенсивность у-излучения = 1,7x103 Гр-ч"1)- Наблюдается существенное уменьшение интенсивности примесной полосы и возрастание интенсивности краевой полосы ФЛ с одновременным уширением и сдвигом спектрального максимума в длинноволновую область. Показано, что обнаруженные изменения в спектрах ФЛ при у-облучении вызваны появлением дополнительных полос ФЛ со стороны низких энергий вблизи краевой и примесной полос ФЛ. Предполагается, что появление дополнительных полос в спектрах ФЛ обусловлено перестройкой энергетического спектра носителей заряда в зоне проводимости вследствие радиационно-стимулированного образования упорядоченной структуры примесных комплексов. Нмзкоэнергетичная полоса ФЛ обусловлена электронными переходами из первой минизоны, высокоэнергетичная полоса ФЛ обусловлена переходами из континуума зоны проводимости.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.'

Основные результаты и выводы.

1. В результате экспериментального исследования зависимости структуры спектра краевой ФЛ от уровня легирования, температуры и интенсивности возбуждения ФЛ обнаружено, что в монокристаллах СаА$:Те при концентрации свободных носителей заряда п0 > 2х]018 см'3 и интенсивносхях возбуждения ФЛ

I > 10" квант-см'2с'' низкотемпературный спектр "близкраевой" ФЛ имеет структуру, обусловленную наличием двух перекрывающихся полос излучения. На основе детального анализа формы спектра ФЛ, выполненного с использованием моделей ВВ- и ВТ-рекомбинации, установлено, что полосы ФЛ относятся к межзонным оптическим переходам и являются результатом ВВ-рекомбинации. На основе модельных расчетов показано, что структура спектра краевой ФЛ при п> 2х 1018 см'3 обусловлена модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости вследствие образования минизонного электронного энергетического спектра.

• 2. Обнаружено, что в монокристаллах СаАз'.Те с концентрацией свободных носителей заряда пд = (3 - 4)х10" см'3 при Т~ 300 К наблюдаются нерегулярные зависимости удельной теплоемкости и электропроводности от температуры, характерные для фазовых переходов первого рода. Предполагается, что фазовый переход в исследуемых кристаллах имеет электронную природу. При образовании в кристалле крупномасштабной упругой сверхструктуры заряженных примесных комплексов периодическое распределение кулоновского и деформационного потенциала стимулирует процесс "электронного диспергирования" -неоднородного периодического распределения электронной плотности, имеющего характер фазового перехода первого рода.

3. В монокристаллах ОаАз:Те с концентрацией свободных носителей заряда п0 ~ (3 -4)х 1018 см*3 обнаружено возрастание холловской подвижности свободных носителей заряда до значений, характерных для слабо легированных образцов. Такое поведение подвижности объясняется уменьшением вклада рассеяния на ионах примеси вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов. Доминирующим, как и в случае слабо легированных кристаллов становится рассеяние на колебаниях решетки, что согласуется с исследованиями поглощения ИК-излученяя свободными носителями заряда и поляритонных эффектов.

4. На основании экспериментального исследования влияния у-излучения 60Со различной интенсивности на параметры излучательной рекомбинации в монокристаллах GaA.s-.Te в области предкритических концентраций свободных носителей заряда п0 = (1,2 - 2,5)х1018 см'3 обнаружен существенный спад интенсивности примесной полосы и возрастание краевой полосы ФЛ с одновременным их уширением и сдвигом спектральных максимумов в длинноволновую область спектра. Показано, что обнаруженные изменения в

спектрах ФЛ вызваны появлением дополнительных полос ФЛ вследствие

перестройки энергетического спектра носителей заряда в зоне проводимости при

радиационно-стимулированном упорядочении примесных комплексов.

Основные публикации по теме диссертации

1. Богданова В. А. Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A.

Краевая полоса фотолюминесценции с максимумом hvmax(77K) ~ 1,48 эВ в сильно легированном GaAs.Te. Сборник тезисов докладов Второй Российской конференции по физике полупроводников, 1996, Санкт-Петербург, с.127.

2. Bogdanova V.A., Davletkildeev N.A., Dubovik V.l., Semikolenova N.A. Photoluminescence of a natural long-periodic superstructure in heavy doped GaAs:Te.

Proceedings of the 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, 1996, Berlin Germany, Vol. 2, p. 1377.

3. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A... Дубовик В.И., Семиколенова H.A. Фотолюминесценция естественных длиннопериодических сверхструктур в сильно легированном GaAs. Вестник Омского университета, 1997, Л» 1, с. 38-40.

4. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A., Шутяк O.A. Фотолюминесценция с участием глубоких уровней в GaAs.Te. Сборник тезисов докладов Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах", 1997, Ульяновск, с. 116-117.

5. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A., Шутяк O.A. Влияние радиационно-термического воздействия на фотолюминесценцию GaAs.Te. Вестник Омского университета. 1997, № 2, с. 20-22.

6. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.PL, Семиколенова H.A., Шутяк O.A. Влиянвд интенсивности Y-излучения на фотолюминесценцию GaAs:Te. ФТП, 1998, Том 32, № 1, с. 38-40.

7. Давлеткильдеев H.A. Фотолюминесценция у-облученных монокристаллов GaAs:Te. Сборник тезисов докладов Всероссийской научной конференции "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления"- РЭС-97, 1997, Таганрог, с. 206-207.

8. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Первых A.A.,

Семиколенова Н.А., Шутяк О.А. Фотолюминесценция монокристаллоЕ GaAs:Te при различных интенсивностях возбуждения и у-излучения. Сборник тезисов докладов Третьей Российской конференции по физике полупроводников, 1997, Москва, с. 305.

9. Давлеткильдеев Н.А. Примесное упорядочение в сильно легированных полупроводниковых соединениях А^В^. Сборник тезисов докладов VI Международной конференции молодых ученых по физике конденсированных сред - ФКС-VI, 1998, Гродно Беларусь, с. 54.

10. Богданова В.А., Давлеткильдеев Н.А., Дубовик В.И., Первых А.А., Семиколенова Н.А. Люминесценция спонтанно образованных длиннопериодичных сверхструктур в сильно легированном GaAs:Te. Сборник тезисов докладов Международной конференции "Оптика полупроводников ", 1998, Ульяновск, с. 117-119.

11. BogdanovaV.A., Davletkildeev N.A., Dubovik V.I., Semikolenova N.A. Spontaneously formed long-range superstructure in heavy doped III-V compounds. Proceedings of the 24,h International Conference on the Physics of Semiconductors,

1998, Jerusalem Israel, Vol. 2, p. 234.

12. Богданова B.A., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова Н.А.. Шутяк О.А. Радиационно-стимулированные эффекты в монокристаллах GaAs n-типа. Сборник тезисов докладов Международной конференции "Радиа1(ионно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах", 1998, Томск, с. 173.

13. Богданова В.А., Давлеткильдеев Н.А., Дубовик В.И., Елизаров М.С., Семиколенова Н.А. Концентрационный и температурный фазовые переходы в GaAs n-типа. Материалы Седьмой Российской конференции "GaAs-99",

1999, Томск, с. 34.

14. Богданова В.А., Давлеткильдеев Н.А., Дубовик В.И., Семиколенова Н.А. Дозиметрические свойства монокристаллов GaAs:Te. Материалы Седьмой Российской конференции "GaAs-99", 1999, Томск, с. 138.

15. Богданова В.А., Давлеткильдеев Н.А., Дубовик В.И., Елизаров М.С., Лиопс В.А., Семиколенова Н.А. Фазовый переход в сильно легированном арсениде галлия. Сборник тезисов докладов Четвертой Российской конференции по физике полупроводников, 1999, Новосибирск, с. 54.

16. Давлеткильдеев Н.А. Спонтанное упорядочение примесных комплексов в GaAs n-типа. Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции молодых

ученых по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 1999, Санкт-Петербург, с. 111.

Список цитируемой литературы

]. Williams E.W. Evidence for self-activated luminescence in GaAs: the galliun vacancy - donor center. Phys. Rev., 1968, Vol. 168, No. 3, pp. 922-928.

2. Giinchuk K.D., Prokhorovich A.V., Zayats N.S. A new (non-copper-induced) 1.35 eV emission band in n-type GaAs. Phys. Status Solidi (a)., 1984, Vol. 82, No. 2, pp. 503-510.

3. Bignazzi A., Bosacchi A., Magnanini R. Photoluminescence study of heavy doping effects in Te-doped GaSb. J. Appl. Phys., 1997, Vol. 81, No. 11, pp. 7540-7547.

4. Semikolenova N.A., Bogdanova V.A., Semikolenov A.S. The ordering phenomenon in highly doped III-V semiconductor materials. Phys. Status Solidi (a)., 1990,

Vol. 120, No. 1, pp. 121-123.

5. Семиколенова H.A. Поляритоны в арсениде галлия n-типа. ФТП, 1988, Том 22, № 1, с. 137-140.

6. Балагурова Е.А.. Греков Ю.Б., Кравченко А.Ф., Прудникова И.А., Прудников В.В., Семиколенова Н.А. Изменение механизма рассеяния в арсениде галлия n-типа с легированием. ФТП, 1985, Том 19, № 9, с. 1566-1570.

Давлеткильдеев Надим Анварович

Исследование эффекта спонтанного упорядочения примесных комплексов в арсениде галлия п-типа

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Лицензия ЛР № 020380 от 29.01.97 Подписано в печать 29 05.00 Формат 60 х 84/16. Печ.л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 274.

Издательско-полиграфический отдел ОмГУ 644077, Омск, пр. Мира, 55-А.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭФФЕКТЫ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРИМЕСНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРИ МАЛЫХ 1 АТ. %) КОНЦЕНТРАЦИЯХ ПРИМЕСНОГО КОМПОНЕНТА (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Примесная корреляция в твердых растворах. Модельные представления.

1.2. Кулоновская примесная корреляция в полупроводниках. Модельные представления.

1.3. Примесная корреляция как результат деформационного взаимодействия примесных комплексов. Модельные представления. 26 Выводы

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СОБСТВЕННОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ п-ТИПА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ УПОРЯДОЧЕНИЕМ ПРИМЕСНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

2.1. Методика эксперимента.

2.2. Методика анализа спектров краевой фотолюминесценции.

2.3. Анализ спектров фотолюминесценции монокристаллов ОаА8:Те.

2.3.1. Область концентраций п0< 2x1018см"3.

2.3.2. Область концентраций п> 2x1018см"3.

2.4. Модельные представления. 57 Выводы

ГЛАВА 3. ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И КИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ п-ТИПА ПРИ УПОРЯДОЧЕНИИ ПРИМЕСНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

3.1. Методика эксперимента.

3.2. Влияние уровня легирования на температурное поведение удельной теплоемкости и электропроводности монокристаллов ОаАз:Те.

3.3. Исследование концентрационной и температурной зависимостей подвижности свободных носителей заряда в ОаА8:Те. 77 Выводы

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ УПОРЯДОЧЕНИЯ ПРИМЕСНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ п-ТИПА.

4.1. Особенности радиационного дефектообразования в ОаАз при у-облучении.

4.2. Влияние радиационного воздействия на фотолюминесценцию ОаАБ. 88 4.2.1. Эффекты радиационно-стимулированного упорядочения в ваАБ.

4.3. Методика эксперимента.

4.4. Влияние у-облучения на процессы примесного упорядочения в ОаАз:Те. 93 Выводы 107 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность проблемы

Прогресс в области физики твердого тела и физики полупроводников в настоящее время в значительной мере обусловлен возможностями создания и изучения новых объектов пониженной размерности с квантовыми свойствами - квантовых точек, квантовых проволок и их пространственных комбинаций -сверхрешеток. Однако, физические пределы традиционных способов получения таких объектов с характерными размерами 1-100 нм, при которых наиболее полно проявляются их квантовые свойства, ограничены. Поэтому большие надежды по созданию объектов пониженной размерности возлагаются на технологии, использующие эффекты их самоорганизации в определенных условиях выращивания, в условиях фазовых переходов, разделения фаз в гетерофазных системах и в процессе контролируемых внешних воздействий. Далеко не исчерпанным в этом отношении остается и традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов, основанный на использовании процессов легирования их примесями. Упругое, кулоновское или химическое взаимодействие с участием атомов основного вещества, атомов легирующих примесей, а также собственных точечных структурных дефектов может приводить к образованию в полупроводнике различного рода комплексов. Многие из образующихся в результате таких взаимодействий комплексов обладают достаточно высокой устойчивостью и оказывают существенное влияние на свойства полупроводника, являясь эффективными центрами излучательной и безызлучательной рекомбинации, определяя степень компенсации, концентрацию и характер рассеяния носителей заряда, фоточувствительность и ряд других важных характеристик материала. Явления комплексообразования достаточно хорошо исследованы на примере германия, кремния, арсенида галлия. В то же время процессы упорядочения структурных комплексов в полупроводниках, эффекты спонтанного образования сверхструктур при определенных уровнях легирования, экспериментально обнаруженные в широком классе полупроводниковых материалов, не имеют сегодня достаточно полного физического обоснования несмотря на фундаментальный характер проблемы. Нет четкого представления о механизме процессов самоорганизации в легированных полупроводниках, о поведении самоорганизующихся систем при воздействии внешних факторов (электрических и тепловых полей, оптического излучения, радиационного воздействия). Поэтому большой интерес и актуальность представляет исследование эффектов упорядочения структурных комплексов в легированных полупроводниках, влияния упорядочения на фундаментальные свойства материала, изучение возможности получения упорядоченного состояния и его устойчивости при внешних воздействиях.

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование особенностей оптических и электрофизических свойств арсенида галлия п-типа, обусловленных образованием длиннопериодичной сверхструктуры примесных комплексов и влияния радиационного воздействия на процессы упорядочения в примесной подрешетке.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решались следующие задачи:

1. Исследование зависимости структуры спектров краевой фотолюминесценции монокристаллов ОаАз:Те от уровня легирования, температуры и интенсивности возбуждения фотолюминесценции.

2. Разработка качественной модели энергетической зонной схемы системы ОаАй-.Те при образовании сверхструктуры примесных комплексов.

3. Изучение влияния уровня легирования на температурное поведение термодинамических параметров и кинетических свойств носителей заряда в монокристаллах ОаАз:Те.

4. Исследование влияния у-облучения различной интенсивности на процессы упорядочения примесных комплексов в монокристаллах ОаАз:Те.

Научная новизна работы заключалась в следующем:

1. Обнаружено, что в монокристаллах арсенида галлия, легированного теллуром при концентрациях свободных носителей заряда п0 > 2x1018 см"3 и уровнях возбуждения фотолюминесценции Ь > 1019 квант-см"2с1 низкотемпературный спектр краевой фотолюминесценции имеет структуру, обусловленную наличием двух перекрывающихся полос излучения. На основе детального анализа формы спектра краевой фотолюминесценции, выполненного с использованием моделей ВВ- и ВТ-рекомбинации, установлено, что полосы фотолюминесценции относятся к межзонным оптическим переходам.

2. Показано, что структура спектра краевой фотолюминесценции при п0 > 2x1018 см"3 обусловлена модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости вследствие образования минизонного электронного энергетического спектра.

3. В монокристаллах ОаАз:Те в области критических концентраций свободных носителей заряда п0= (3 - 4)х1018 см"3 впервые обнаружена нерегулярная зависимость теплоемкости и электропроводности от температуры при 300 К, характерная для фазовых переходов первого рода. Данное фазовое превращение идентифицируется как электронный фазовый переход.

4. В монокристаллах ОаАз:Те с критической концентрацией свободных носителей заряда п0= (3 - 4)х1018 см"3 впервые обнаружено возрастание холловской подвижности свободных носителей заряда до значений, характерных для слабо легированных образцов. Показано, что увеличение подвижности носителей заряда обусловлено уменьшением вклада рассеяния на ионах примеси вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов.

5. Обнаружен эффект радиационно-стимулированного упорядочения примесных комплексов в области предкритических концентраций свободных носителей заряда п0 = (1,2 - 2,5)х1018 см"3.

Практическая значимость работы состоит в том, что расширяется возможность применения арсенида галлия, так как в области упорядочения примесных комплексов исследуемый материал представляет собой новый класс сильно легированных полупроводников, кинетические явления в которых не контролируются уровнем легирования. Обнаруженное явление открывает возможность создания новых технических решений (в том числе и объектов пониженной размерности) на базе модулированной структуры с малым (по сравнению с искусственными сверхрешетками) вектором трансляции. Твердотельная база современной электроники, опто-, акустоэлектроники, интегральной оптики использует переходы с градиентом концентрации в широком диапазоне, поэтому правильный учет явления фазовых переходов позволит организовать технологический процесс по детерминированному пути, обеспечить лучшую воспроизводимость параметров полупроводника.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Изменение структуры спектров собственной излучательной рекомбинации в ОаАз:Те при критических концентрациях свободных носителей заряда п0 ~ (3 - 4)х1018 см"3 обусловлено модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости вследствие образования минизонного электронного энергетического спектра;

2. Температурный фазовый переход в монокристаллах ОаАз:Те при критических концентрациях свободных носителей заряда и ~ (3 - 4)х 1018 см"3, обусловленный процессом «электронного диспергирования».

3. Увеличение подвижности свободных носителей заряда в монокристаллах ОаАз:Те при критических концентрациях свободных носителей заряда п0~ (3 - 4)х1018 см"3 обусловлено уменьшением вклада рассеяния на ионизированных примесях вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов.

4. Эффект радиационно-стимулированного упорядочения в области предкритических концентраций свободных носителей заряда в 8 монокристаллах ОаАз:Те.

Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург -1996 г., Москва -1997 г., Новосибирск -1999 г.), Седьмой Российской конференции «ОаАэ - 99» (Томск - 1999 г.), Международных конференциях по физике полупроводников (Берлин, Германия - 1996 г., Иерусалим, Израиль -1998 г.), Международной конференции «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах» (Ульяновск - 1997 г.), Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск - 1998 г.), Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск - 1998 г.).

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ [94-109].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и содержит 124 страницы машинописного текста, 56 рисунков и 3 таблицы.

Выводы

1. Проведено экспериментальное исследование влияния у-излучения 60Со различной интенсивности (Р = 1,7х103 и 4,8х103 Гр-ч"1) на параметры излучательной рекомбинации в монокристаллах ОаАз:Те с концентрациями свободных носителей заряда п0= (1,2 - 2,5)х1018см"3.

2. Показано, что в образце с концентрацией свободных носителей заряда п= 1,3 х 1018 см"3 при интенсивности у-излучения Р = 4,8х 103 Гр-ч"1 параметры ФЛ изменяются немонотонным образом. Основной причиной таких изменений является изменение безызлучательного времени жизни неосновных носителей заряда.

3. В образце с концентрацией свободных носителей заряда п0 = 2,4x1018 см"3, при у-облучении дозами О = (0,38 - 0,46)х105 Гр обнаружен значительный спад интенсивности примесной полосы и возрастание краевой полосы ФЛ. Спектральные максимумы полос ФЛ одновременно сдвигаются в сторону меньших энергий на одно и тоже значение ЛЕ ~ 0,04 эВ. Аналогичные изменения в спектрах ФЛ обнаружены в образце с концентрацией свободных носителей заряда п0= 1,3x1018 см"3 при интенсивности у-излучения

Р = 1,7x103 Гр-ч"1. При облучении дозой И = 0,05x105 Гр наблюдается

108 существенное уменьшение интенсивности примесной полосы и возрастание интенсивности краевой полосы ФЛ с одновременным сдвигом ее спектрального максимума в длинноволновую область. Показано, что обнаруженные изменения в спектрах ФЛ вызваны появлением дополнительных полос ФЛ вследствие образования минизонного энергетического электронного спектра и связаны с процессами радиационно-стимулированного упорядочения примесных комплексов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено экспериментальное исследование зависимости структуры спектров краевой ФЛ монокристаллов арсенида галлия, легированного теллуром, от концентрации свободных носителей заряда, температуры и интенсивности возбуждения ФЛ.

На основе моделей ВТ- и ВВ-рекомбинации проведен детальный анализ формы экспериментальных спектров краевой ФЛ. Показано, что при концентрациях свободных носителей зарядап0< 2х 1018 см"3 и интенсивностях возбуждения ФЛ Ь < 1020 квант-см"2с-1 форма спектра качественно согласуется с моделью для ВТ-рекомбинации, а при Ь > 1020 квант-см^с"1 наблюдаемые спектры ФЛ являются результатом ВВ-переходов.

Обнаружено, что в образцах с концентрацией п0 > 2x1018 см 3 при уровнях возбуждения ФЛ Ь < 1019 квант-см"2с1 спектр краевой ФЛ имеет структуру, обусловленную наличием двух перекрывающихся полос излучения. Показано, что полосы ФЛ относятся к межзонным оптическим переходам и являются результатом ВВ-рекомбинации. Показано, что структура спектра ФЛ обусловлена модификацией функции ПС в зоне проводимости. Модификация электронной плотности состояний обусловлена образованием минизонного энергетического спектра электронов в зоне проводимости вследствие эффекта спонтанного образования длиннопериодической сверхструктуры примесных комплексов в образцах с концентрацией свободных носителей заряда п0 ~ 3x1018 см"3.

2. Проведено экспериментальное исследование зависимости удельной теплоемкости и электропроводности монокристаллов СаАБ:Те от концентрации свободных носителей заряда и температуры.

Проведено экспериментальное исследование зависимости холловской подвижности свободных носителей заряда в монокристаллах ОаАз:Те от концентрации и температуры.

Обнаружено, что в образцах с концентрацией свободных носителей заряда п0 ~ (3 - 4)х1018 см-3 при Т ~ 300 К наблюдается скачок на функциональных зависимостях удельной теплоемкости и электропроводности от температуры, характерный для фазовых переходов первого рода. Предполагается, что фазовый переход в исследуемых кристаллах имеет электронную природу. При образовании в кристалле крупномасштабной упругой сверхструктуры заряженных примесных комплексов периодическое распределение кулоновского и деформационного потенциала стимулирует процесс «электронного диспергирования» - неоднородного периодического распределения электронной плотности, имеющего характер фазового перехода первого рода. Кристаллы ОаА&:Те в области упорядочения в примесной подрешетке характеризуются сильным электрон-фононным взаимодействием через деформационный потенциал. Следствием этих процессов является резкое уменьшение электропроводности и возрастание теплоемкости монокристаллов ОаАз:Те в области фазового перехода.

В образцах с концентрацией свободных носителей заряда п0~ {3 - 4)х1018 см"3 обнаружено возрастание холловской подвижности свободных носителей заряда до значений, характерных для слабо легированных образцов. Такое поведение подвижности объясняется уменьшением вклада рассеяния на ионах примеси вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов. Доминирующим, как и в случае слабо легированных кристаллов становится рассеяние на колебаниях решетки, что согласуется с исследованиями по поглощению ИК-излучения свободными носителями заряда и поляритонным эффектам.

3. Проведено экспериментальное исследование влияния у-излучения 60Со различной интенсивности на параметры излучательной рекомбинации в монокристаллах ОаАз:Те с концентрациями свободных носителей заряда п0= (1,2 - 2,5)х1018см"3.

Показано, что в образце с концентрацией свободных носителей заряда

Ill n0= 1,3x1018 см"3 при интенсивности у-излучения Р = 4,8x103 Гр-ч"1 параметры ФЛ изменяются немонотонным образом. Основной причиной таких изменений является изменение времени жизни неосновных носителей заряда.

В образце с концентрацией свободных носителей заряда nQ= 2,4х 1018 см"3, при у-облучении дозами D = (0,38 - 0,46)х 105 Гр (Р = 4,8х 103 Гр-ч1) обнаружен значительный спад интенсивности примесной полосы и возрастание краевой полосы ФЛ. Спектральные максимумы полос ФЛ одновременно сдвигаются в сторону меньших энергий на одно и тоже значение ЛЕ ~ 0,04 эВ. Аналогичные изменения в спектрах ФЛ обнаружены в образце с концентрацией свободных носителей заряда nQ = 1,3х 1018 см"3 при интенсивности у-излучения Рг = 1,7х103 Гр-ч"1. При облучении дозой D = 0,05х105 Гр наблюдается существенное уменьшение интенсивности примесной полосы и возрастание интенсивности краевой полосы ФЛ с одновременным сдвигом ее спектрального максимума в длинноволновую область. Показано, что обнаруженные изменения в спектрах ФЛ вызваны появлением дополнительных полос ФЛ вследствие образования минизонного энергетического электронного спектра и связаны с процессами радиационно-стимулированного упорядочения примесных комплексов.

1. Шкловский Б.И., Эфрос A.JI. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979, 416 с.

2. Глазов JI.M., Павлова JI.M. Химическая темодинамика и фазовое равновесие. М.: Металлургия, 1988, 426 с.

3. Rogacheva E.I. Critical phenomena in highly doped semiconductor compounds. Jpn. J. Appl. Phys., Pt.l, 1993, Vol. 32, Suppl. 32-3, pp. 775-777.

4. Стауффер Д. Введение в теорию протекания. Пер. с англ. М.: Мир, 1987, 243 с.

5. Kossut J., Dobrowolski W., Wilamowski Z., Dietl Т., Swiatek K. Correlation of donor electrons in diluted magnetic semiconductors with iron. Semicond. Sci. TechnoL, 1990, Vol. 5, pp. 260-265.

6. Mycielski J. Formation of a superlattice of ionized resonant donors or acceptors in semiconductors. Solid State Commun., 1986, Vol. 60, No. 2, pp. 165-168.

7. Maude D.K., Portal J.C., Dmowski L., Foster Т., Eaves L., Nathan M., Heiblum M., Harris J.J., Beal R.B. Investigation of DX center in heavily doped n-type GaAs. Phys. Rev. Lett., 1987, Vol. 59, No. 7, pp. 815-817.

8. O'Reilly E.P. Pressure dependence of DX center mobility in highly doped GaAs. Appl. Phys. Lett., 1989, Vol. 55, No. 14, pp. 1409-1412.

9. Dietl Т., Dmowski L., Kossut J., Litwin-Staszewska E., Piotrzkowski R., Suski Т., Swiatek K., Wilamowski Z. Inter-donor interaction source of electron mobility increase under pressure. Acta Phys. Polon. A, 1990, Vol. 77., No. 1, pp. 2931.

10. Kossut J., Wilamowski Z., Dietl Т., Swiatek K. Spatial correlation of impurity charges induced by Coulomb interactions application to DX centers in GaAs. ActaPhys. Polon. A., 1991, Vol. 79., No. l,pp. 49-58.

11. Monroe D. Intersite Coulomb repulsion and intrasite attraction for DX centers in GaAs. Appl. Phys. Lett., 1991, Vol. 59, No. 18, pp. 2293-2295.

12. Келдыш JI.В., Прошко Г.П. Инфракрасное поглощение в сильнолегированном германии. ФТТ, 1963, Том 5, № 3, с. 3378-3382.

13. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Хвосты плотности состояний в сильно легированных полупроводниках. ФТП, 1970, Том 4, № 2, с. 305-316.

14. Вилькоцкий В. А., Доманевский Д.С., Жоховец C.B., Красовский В.В., Прокопеня М.В. Природа неосновных примесных состояний в сильно легированных кристаллах. ФТП, 1985, Том 19, № 9, с. 1660-1665.

15. Вилькоцкий В.А., Доманевский Д.С., Жоховец C.B., Прокопеня М.В. Энергетический спектр электронных состояний в сильно легированных кристаллах арсенида галлия. ФТП, 1984, Том 18, № 12, с. 2193-2198.

16. Крегер Ф. Химия несовершенных кристаллов. Пер. с англ. М.: Мир, 1969, 654 с.

17. Балагурова Е.А. Греков Ю.Б., Кравченко А.Ф., Прудникова И.А., Прудников В.В., Семиколенова H.A. Изменение механизма рассеяния в арсениде галлия n-типа с легированием. ФТП, 1985, Том 19, № 9, с. 1566-1570.

18. Jensen В. Quantum theory of free carrier absorption in polar semiconductors. News of Physics, 1973, Vol. 80, No. 3, pp. 284-360.

19. Ланг И.Г. К природе инфракрасного поглощения свободными носителями тока. ФТТ, 1973, Том 15, № 7, с. 2136-2142.

20. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов. М.: Наука, 1974, 384 с.

21. Богданова В.А., Семиколенова H.A. Фотолюминесценция сильно легированного арсенида галлия при упорядоченном распределении примесных комплексов. ФТП, 1992, Том 26, № 5, с. 818-821.

22. Williams E.W. Evidence for self-activated luminescence in GaAs: the galliunvacancy donor center. Phys. Rev., 1968, Vol. 168, No. 3, pp. 922-928.

23. Glinchuk K.D., Prokhorovich A.V., Zayats N.S. A new (non-copper-induced) 1.35 eV emission band in n-type GaAs. Phys. Status Solidi (a)., 1984, Vol. 82, No. 2, pp. 503-510.

24. Задорожный H.C., Коваленко В.Ф., Лисовенко В.Д., Мильвидский М.Г., Прохорович А.В. Кристаллография, 1991, Том 36, № 4, с. 958-961.

25. СемиколеноваН.А. Поляритоны в арсениде галлия n-типа. ФТП, 1988, Том 22, № 1, с. 137-140.

26. Chandrasekhar H.R., Ramdas А.К. Nonparabolisity of the conduction band and the coupled plasmon-phonon modes in n-GaAs. Phys. Rev., 1980, Vol. 21, No. 4, pp. 1511-1515.

27. Kukharski A. A. Plasmon-phonon coupling in GaAs. Solid State Commun., 1973, Vol. 13, No. 4, pp. 1761-1765.

28. Балагурова E.A. Греков Ю.Б., Кравченко А.Ф., Прудникова И.А., Семиколенова Н.А., Шляхов А.Т. Природа фазового перехода в арсениде галлия, легированном элементами VI группы. Изв. АН СССР, Неорг. матер., 1986, Том 22, №4, с. 540-543.

29. Прудников В.В., Прудникова И.А. Фазовые переходы в пьезоэлектриках, обусловленные системой дипольных центров. Кристаллография, 1992, Том 37, № 5, с. 1093-1099.

30. Prudnikov V.V., Prudnikova I.A., Semikolenova N.A. Phase transition in heavily doped gallium arsenide. Phys. Status Solidi (b)., 1994, Vol. 181, No. 1, pp. 87-96.

31. Hurle D.T.J. Revised calculation of point defect equilibria and non-stoichiometry in GaAs. J. Phys. Chem. Solids, 1979, Vol. 40, No. 3, pp. 613-623.

32. Mullin J.B., StraughanB.M., Driskoll C.M.H., Willoughby A.F.W. Lattice superdilation phenomena in doped GaAs. J. Appl. Phys., 1976, Vol. 47, No. 6, pp. 2584-2587.

33. SemikolenovaN.A., Bogdanova V.A., Semikolenov A.S. The ordering phenomenon in highly doped III-V semiconductor materials. Phys. Status Solidi (a)., 1990, Vol. 120,No. l,pp. 121-123.

34. Bogdanova V.A., Dubovik V.I., Prudnikov V.V., Semikolenova N.A. Ordering phenomenon in highly doped III-V semiconductor materials. Extended abstract of the Int. Conf. on Solid State Dev. and Mater., 1995, Osaka Japan, pp. 10571058.

35. Несмелова И.М., Семиколенова H.A., Хабаров Э.Н. Исследование механизма взаимодействия примесей в арсениде индия. ФТП, 1978, Том 12, № 10, с. 1915-1520.

36. Балагурова Е.А., Несмелова И.М., Семиколенова Н.А., Хабаров Э.Н. Упорядочение примесей в арсениде индия n-типа. В кн.: Физика соединений АШВУ, Л., 1979, с. 140-143.

37. Семиколенова Н.А. Аномальное изменение свойств монокристаллов арсенида индия, легированного теллуром. Изв. ВУЗов СССР, Физика, 1984, Том 17, №5, с. 51-57.

38. Балагурова Е.А. Греков Ю.Б., Прудникова И.А., Семиколенова Н.А.,

39. Шабакин В.П. Поглощение инфракрасного излучения свободными носителями1.I vв соединениях типа А В . ФТП, 1984, Том 18, № 6, с. 1011-1015.

40. Сидоров В.Г., Сидоров Д.В., Соколов В.И. Влияние внутренних механических напряжений на характеристики светодиодов из арсенида галлия. ФТП, 1998, Том 32, № 11, с. 1393-1398.

41. Сидоров В.Г., Сидоров Д.В., Соколов В.И. Светодиод из GaAs:Si как квазисверхструктура туннельно связанных квантовых точек. Материалы Седьмой Российской конференции «GaAs 99», 1999, Томск Россия, pp. 106-108.

42. Casey H.C., Stern Jr., Stern F. Concentration-dependent absorption and spontaneous emission of heavily doped GaAs. J. Appl. Phys., 1976, Vol. 47, No. 2, pp. 631-643.

43. Olego D., Cardona M. Photoluminescence in heavily doped GaAs. Temperature and hole-concentration dependence. Phys. Rev. B, 1980, Vol. 22, No. 2, pp. 886-893.

44. De-Sheng J., Machita Y., Ploog K., Queisser H.J. Electrical properties and photoluminescence of Te-doped GaAs grown by molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys., 1982, Vol. 53, No. 2, pp. 999-1006.

45. Borhgs G., Bhattacharyya K., Deneffe K., Van Mieghem P., Mertens R. Band-gap narrowing in highly doped n- and p-type GaAs studied by photoluminescence spectroscopy. J. Appl. Phys., 1989, Vol. 66, No. 9, pp. 4381-4386.

46. Lideiskis T., Treideris G. Near band-gap photoluminescence of the MOCVD-grown heavily Si-doped GaAs. Semicond. Sci. Technol., 1989, Vol. 4, pp. 938-942.

47. Szmyd D.M., Porro P., Majerfeld A., Lagomarsino S. Heavily doped GaAs:Se. Photoluminescence determination of the electron effective mass. J. Appl. Phys., 1990, Vol. 68, No. 5, pp. 2367-2375.

48. Kim S.I., Kim M.S., Min S.K., Lee C. Experimental and theoretical photoluminescence study of heavily carbon doped GaAs grown by low-pressure metalorganic chemical vapor deposition. J. Appl. Phys., 1993, Vol. 74, No. 10, pp. 6128-6132.

49. Lee N.-Y., Lee K.Y., Lee C., Kim J.-E, Park H.Y, Kwak D.-H, Lee H.-C., Lim H. Determination of conduction band tail and Fermi energy of heavily Si-doped GaAs by room-temperature photoluminescence. J. Appl. Phys., 1995, Vol. 78, No. 5, pp. 3367-3370.

50. Jiang G.-C., Chang Y., Chang L.-B., Juang Y.-D., Lu S. Near-band-edge photoluminescence of sulfur-doped GaAs prepared by liquid phase epitaxy. Jpn. J. Appl. Phys., 1995, Vol. 34, No. 1, pp. 42-47.

51. Доманевский Д.С., Жоховец С.В. Влияние корреляции в распределении легирующих примесей на спектр краевой люминесценции сильно легированного арсенида галлия. Ф777, 1989, Том 23, № 4, с. 693-697.

52. Рогачев А.А., Саблина Н.И. Рекомбинационное излучение сильно легированного германия. ФТТ, 1966, Том 8, № 5, с. 691-695.

53. В ebb Н.В., Williams E.W. Semiconductors and Semimetals. New York: Academic Press, 1972, 376 pp.

54. Леванюк А.П., Осипов В.В. Теория люминесценции сильно легированных полупроводников. ФТП, 1973, Том 7, № 6, с. 1058-1067.

55. Леванюк А.П., Осипов В.В. Краевая люминесценции прямозонных полупроводников. УФН, 1981, Том 133, № 3, с. 427-477.

56. Зверев Л.П., Негашев С.М. Прямое измерение ширины запрещенной зоны в сильно легированных полупроводниках. ФТП, 1976, Том 10, № 3, с. 564570.

57. Jain S.C., Roulston D.J. A simple expression for band gap narrowing in heavily doped Si, Ge, GaAs and GexSil x strained layers. Solid State Electron., 1991, Vol. 34, No. 5, pp. 453-465.

58. Lowney J. R. The effect of electron-hole plasmas on the density of states of silicon and GaAs. J. Appl. Phys., 1989, Vol. 66, No. 9, pp. 4279-4283.

59. Van Mieghem P. Theory of band tail in heavily doped semiconductors. Rev. Mod. Phys., 1992, Vol. 64, No. 3, pp. 755-793.

60. Lee N.-Y., Lee K.Y., Lee C., Kim J.-E., Park H.Y., Lee H.-C. Concentration dependent electron distribution in heavily Si-doped GaAs. Solid State Commun., 1996, Vol. 99, No. 8, pp. 571-575.

61. Bignazzi A., Bosacchi A., Magnanini R. Photoluminescence study of heavy doping effects in Te-doped GaSb. J. Appl. Phys., 1997, Vol. 81, No. 11, pp. 75407547.

62. Choquette K.D., Misemer D.K., McCaughan L. Third-order optical susceptibility in short-period GaAs doping superlattices. J. Appl. Phys., 1989, Vol. 66,1. No. 9, pp. 4387-4392.

63. Choquette K.D., Misemer D.K., McCaughan L. Electronic structure of short-period n-p GaAs doping superlattices. Phys. Rev. B, 1991, Vol. 43, No. 9, pp. 7040-7045.

64. Maciel A.C., Tatham M., Ryan J.F., Worlock J.M., Nahory R.E., Harbison J.R, Flores L.T. Raman scattering from electronic excitations in periodically 5-doped GaAs. Surface Science, 1990, Vol. 228, No. 2, pp. 251-254.

65. Dohler G.H., Fasol G., Low T.S., Miller J.N. Observation of tunable room temperature photoluminescence in GaAs doping superlattices. Solid State Commun., 1986, Vol. 57, No. 8, pp. 563-566.

66. Tan C.M., Xu J.M., Zukotynski S. Electronic properties of n-i-n-i doping superlattices. J. Appl Phys., 1993, Vol. 73, No. 6, pp. 2921-2933.

67. Кривоглаз M.A., Карасевский А.И. Гетерогенные состояния вырожденных полупроводников в области фазового перехода первого рода. ЖЭТФ, 1975, Том 69, № 1, с. 297-310.

68. Кривоглаз М.А., Карасевский А.И. Особенности гетерогенных состояний в вырожденных полупроводниковых растворах и ферромагнитных полупроводниках. ФТТ, 1975, Том 17, № 9, с. 2565-2577.

69. Schubert E.F., Horikoshi Y., Ploog К. Radiative electron-hole recombination in a new sawtooth semiconductor superlattice grown by molecular-beam epitaxy. Phys. Rev.B, 1985, Vol. 32, No. 2, pp. 1085-1089.

70. Schubert E. F., Cunningham J. E., Tsang W. T. Realization of the Esaki-Tsu-type doping superlattice. Phys. Rev. B, 1987, Vol. 36, No. 2, pp. 1348-1351.

71. Lowney J.R., Bennett H.S. Majority and minority electron and hole mobilities in heavily doped GaAs. J. Appl. Phys., 1991, Vol. 69, No. 10, pp. 71027110.

72. Прудникова И.В. Структурные и термодинамические особенности арсенида галлия, легированного элементами VI группы периодической системы. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук., Новосибирск,1989, 88 с.

73. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука, 1978,615 с.

74. Гантмахер В.Ф., Левинсон И.Б. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках. М.: Наука, 1984, 318 с.

75. Стародубцев С.В. Романов A.M. Взамодействие гамма-излучения с веществом. Т.: ФИАНУзССР, 1964, 213 с.

76. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. М.: Радио и связь, 1981, 248 с.

77. Джафаров Т.Ф. Радиационно-стимулированная диффузия в полупроводниках. М.: Энергоатомиздат, 1991,288 с.

78. Aukerman L.W., Davis P.W., Graft R.D., Shilliday T.S. Radiation effects in GaAs. J. Appl. Phys., 1963, Vol. 34, No. 12, pp. 3590-3599.

79. Coates R. and Mitchell E.W.J. The optical and electrical effects of high concentrations of defects in irradiated crystalline gallium arsenide. Adv. in Phys., 1975, Vol. 24, No. 5, pp. 593-644.

80. Кольченко Т.П., Ломако B.M. Электрические свойства арсенида галлия, облученного электронами и нейтронами. ФТП, 1975, Том 9, № 9, с. 1757-1760.

81. Витовский Н.А., Емельяненко О.В., Лагунова Т.С., Машовец Т.В., Мустафакулов Д. Образование донорно-акцепторных пар в арсениде галлия при низко темпрературном гамма-облучении. ФТП, 1978, Том 12, № 10, с. 19791985.

82. Pons D., Bourgoin J.C. Irradiation-induced defects in GaAs. J. Phys.C, 1985, Vol. 18, No. 20, pp. 3839-3871.

83. Pons D., Bourgoin J.C. Anisotropic-defect introduction in GaAs by electron irradiation. Phys. Rev. Lett., 1981, Vol. 47, No. 18, pp. 1293-1296.

84. Loualiche S., Guillot G., Nouailhat A., Bourgoin J. Defect identification in electron-irradiated GaAs. Phys. Rev. B, 1982, Vol. 26, No. 12, pp. 7090-7093.

85. Lang D.V. Review of radiation-induced defects in III-V compounds, in

86. Rad. Eff. in Semicond., Bristol-London, 1977, 346 p.

87. Глинчук К.Д., Лукат К., Прохорович А.В. Влияние внешних воздействий (термообработки, деформации, облучения) на люминесценцию GaAs. Оптоэлектрон. и полупровод, техн., 1982, Том 1, с. 39-54.

88. Литовченко В.Г., Корбутяк Д.В., Лашкова Е.Г., Садофьев Ю.Г. Обнаружение радиационно-стимулированного структурного упорядочения гетеросистем GaAs-Si по спектрам низкотемпературной фотолюминесценции. ФТП, 1985, Том 19, № 9, с. 1704-1706.

89. Барковская О.Ю., Дмитрук Н.А., Литовченко В.Г., Мищук О.И. К модели радиационно-стимулированного упорядочения в полупроводниках AinBv. ФТП, 1989, Том 23, № 2, с. 207-212.

90. Болотов В.В., Коротченко В.А., Мамонтов А.П., Ржанов А.В., Смирнов Л.С., Шаймеев С.С. Радиационные эффекты в полупроводниках при малых дозах облучения частицами. ФТП, 1980, Том 14, № 11, с. 2257-2260.

91. Смирнов Л.С., Болотов В.В., Васильев А.В. Роль неравновестности кристаллов полупроводников при радиационных обработках. ФТП, 1979, Том 13, №7, с. 1443-1445.

92. Вовненко В.И., Глинчук К. Д., Лукат К. Изменение рекомбинационных свойств глубоких центров люминесценции при у-облучении GaAs. ФТП, 1980, Том 14, №9, с. 1834-1836.

93. Пека Г. П., Коваленко В.Ф., Куценко В.Н. Люминесцентные методы контроля параметров полупроводниковых материалов и приборов. К.: Техника, 1986,152 с.

94. Bogdanova V.A., Davletkildeev N.A., Dubovik V.I., Semikolenova N.A.

95. Photoluminescence of a natural long-periodic superstructure in heavy doped GaAs:Te. Proceedings of the 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, 1996, Berlin Germany, Vol. 2, p. 1377.

96. Богданова B.A., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A. Фотолюминесценция естественных длиннопериодических сверхструктур в сильно легированном GaAs. Вестник Омского университета, 1997, № 1, с. 38-40.

97. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A., Шутяк O.A. Влияние радиационно-термического воздействия на фотолюминесценцию GaAs:Te. Вестник Омского университета. 1997, № 2, с. 20-22.

98. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A., Шутяк O.A. Влияние интенсивности у-излучения на фотолюминесценцию GaAs:Te. ФТП, 1998, Том 32, № 1, с. 38-39.

99. Давлеткильдеев H.A. Фотолюминесценция у-облученных монокристаллов GaAs:Te. Сборник тезисов докладов Всероссийской научной конференции «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления»- РЭС-97,1997, Таганрог, с. 206-207.

100. Давлеткильдеев H.A. Примесное упорядочение в сильнолегированных полупроводниковых соединениях AIIBV. Сборник тезисов докладов VI Международной конференции молодых ученых по физике конденсированных сред ФКС-VI, 1998, Гродно Беларусь, с. 54.

101. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.П., Елизаров М.С., Семиколенова H.A. Концентрационный и температурный фазовые переходы в GaAs n-типа. Материалы Седьмой Российской конференции «GaAs-99», 1999, Томск, с. 34.

102. Богданова В.А., Давлеткильдеев H.A., Дубовик В.И., Семиколенова H.A. Дозиметрические свойства монокристаллов GaAs:Te. Материалы Седьмой Российской конференции «GaAs-99», 1999, Томск, с. 138.

103. Давлеткильдеев H.A. Спонтанное упорядочение примесных123комплексов в GaAs n-типа. Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции молодых ученых по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 1999, Санкт-Петербург, с. 111.