Исследование влияния примесей переходных элементов на фотоэлектрические и оптические свойства фосфида и арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ АКАДЕМИЯ НАУК ТУРКМЕНИСТАНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

• б од

.3 л дог 1393

На правах рукописи

АТАЕВ Патышакулы

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФИДА И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

01.04.10— Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ашгабат — 1993

Работа выполнена на кафедре общей физики Туркменского политехнического инстлту та

Научный руководитель/,'

доктор фазшо-ыатематическцх наук,профессор FABITIUiEB Г.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук,профессор РУДЬ В.В. (ФИ"им.Иоффе АН России,Санкг-Нетербург)

кандидат физико-математических

наук МЕРЕШЕВ Ш.

(ФТИ All Туркменистана,Ашгабат)

Институт физики Азербайджанской Республики, Баку)

Защита, состоится "_" __1993 г. в

_ .час на ; заседании специализированного совета

по- присуждению ученой степени доктора физико-математических наук ;при Физико-техническом институте АН Туркменистана цо адресу: 744000,'г.Ашгабат, ул.Гоголя-15.

С диссертационной работой можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке АН Туркменистана

Автореферат разослан "_

1993 г.

Ученый секретарь специализированного, совета . доктор физико-математических наук . -

СЕЕШНОВ И.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ ■ :

Актуальность теин. Примеси переходных элементов в полупроводниках AgBg создавая глубокие уровни сильно влияют на фотоэлектрические и оптичоскио свойства, что допускает в перспективе резко повышать быстродействие и уменьшение энергоемкости традиционных интегральных схем " и оптоэлектронных устройств. При этом формулируются очень высокие требования к электрофизическим, оптическим свойствам глубоких центров,что связано бачыаой вероятностью рекомбинационных процессов с участием центров создаваемые переходными элементами. • '

Широкозонные полупроводники типа А^Вд обладают хорошими оптическими и фотоэлектрическими свойствами,ситьно ., зависящими от дефектности структуры, которыми удается управлять в определенных пределах в зависимости от концентрации чу&еродных примесей и собствешисс д^ЬектоБ структуры, от степени их компенсации, от их рассположе- . ния, ориентации в кристаллической решетке. Поэтому эти полупроводншш характеризуются большим разнообразием электрических оптических центров,, обусловливающих широкий диапазон изменения физических и оптоэлектронных характеристик. В силу этого такие материалы широко и всесторон-но исследуится в разработках элементной базы современной твеццотельной oníro-и фотоэлёктрошпси. :

Усовершенствование уже созданных, разработка новых полупроводниковых приборов л увеличение срока их службы, требуют исследование различных глубоких центров, в этих полупроводниках с целью,получения достоверных сведений о физико-химической природе и параметрах, а также особенностях их поведения.

В современной технкко, четко проямяотся топдонцкя создания сложнейших электронных устройств на основе многослойных эпитаксиагашх структур. Прй этом необходимо соверюнство структури каждого слоя резких р-п-пероходов, гетеро- и гомограниц на больштс площадях эйтакспашпк композиций'. 13со это открывает перспективы и делает акту-.

-г -

. ■•альной проблемой исследование фотоэлектрических к оптических свойств глубоких центров в полупроводниковых материалах, ответственных за рекоыбшшциошше процессы. Цель работы - изучение влияния примесей переходных ■ элементов на рекомбинационные и люминесцентные свойства фосфида и арсенвда гашгия как в монокристаллах, так и в энитаксиаяьных пленках для'сопоставления их свойствами. Сформулированная цель достигалась решешшм следующих задач:

- кошусексноа исследование рекомбинацпонных процессов в объемных и эиитаксиальных-материалах;

- исследование фотаяшдаесцектшх свойств кристаллов и пленок, выявление различий в анизотропии центров свечения в трех и двумерных системах;

- выявление возлкдаюстей управления поведением центров свечения в онитаксиаяышх пленках.

Выбор в качества основного объекта исследований представителей грухшы полупроводников тшга А3В5 ,

СаА$) связан с практической важностью.этих материалов, допускающих в перспективе резкое повышение быстродействия и уменьшение энергоемкости традиционных.интегральных. схем и октоэдектройных устройств.

Научная новизна результатов работы состоит в том,

что:

- дополнено энергетическая модель электронных переходов в объемных кристаллах ,где строго контролировалась однородность распределения пр>месей посредством изучения электрофизических параметров, что свидетельствует об отсутствии в смотале'различных типов структурных р-п, п-п переходов;

- обнаружено насыщение лкже-амлерной характеристики при низком уровне, возбуждения в эпитаксналышх пленках п-СиЛа нетипичный. полупроводникам А^ , что объясняется яваоишм предельной оптической перезарядки центров рекомбинации;

- на основе оптических исследований выявлено, что при низких температурах с изыоношюи концентрации примесей марганца в £>'аЛа иааениется ск..штршг структуры марган-

новых центров, причем с увеличением их концентрации- симметрия центров- понижается относительно локально!'; симмет-^ рии кристалла;

- обнаружена анизотропия центров свечения в эпитаксиаль-иых пленках Оа.Ай, вызванная внутренними механическими напряксниямп в переходной области плезжа-подлонка Ca До;

- выявлены закономерности распределения механических напряжений в опптаксиалышх пленках в зависимости от-., толщины и кристаллографической ориентации подложки, а' танка примеси;

- найден способ снятия внутренних напряжений в эпитакси-альных пленках путем воздействия на них ультразвуковых , колебаний.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем. а.

- проведено комплексное исследование' фотоэлектрических, свойств кристаллов QaP однородном распределении примесей железа, что позволило^построить модель .электронных Переходов,. удовлетворяющую экспериментальным результатам;

- найдены значения рекомбинационных параметров в условиях низкого уровня возбудде'пш в слаболегированных эпи-такслалвных пленках GaAs ;

- определена концентрация (IÄT3) примесей марганца в. СЬЛз вшэ.которой симметрия центров свеченпя пони-.тлатся относительно локальной симметрии кристалла;

- разработан, способ быстрой релаксации внутренней механической деформации центров свечония в эпитаксиалышх пленках, возникающей вблизи глодлошеи. . ■■•■■■

ОСНОВНЫЕ ПОПОШШ.ВШОСИШЕ IIA ЗАЩИТУ:

1. Спектральный ход примесной'фотопроводимости 0ДН07 родно легированных .кристаллов GaP'Fe определяется зарядовым состоянием лримоси яолоза. - - :.-'

2. Увеличение ковдентрацын-атомов марганца при однородном распределении объемных, кристаллов арсенида галлия LMtC, 1 > ¡о"атМп /см* вызывает.возникновение наведен-

рой поляризации иагучательншс переходов на уровне йя^ до 12$, что свидетельствует о фазовом пароходе в структура щшесного центра, симметрия которого снижается относительно локальной-.симметрии арсенида галлил'. . . 3. Эпитаксяальныа пленки ОаЛ$ согласно результантам, исследования спектральных зависимостей фотолминес-пентнсго излучения и спектров его возбуждения обладают ■Еыраженной зависимостью концентрации центров свечения по 'толщине пленки.

' - 4. Спонтанная поляризация кзлу нательных переходов о участием центров свечения в эпнтаксиалъшм слоях арсэ-лща галлия на подложках из 9а-А & ¿¿озникает за счет

■ механических напряжений на границе ллеыга-ггодлохка и сависи1 от кристаллографической ориентации подложек, толщины пленок и концентрации дырок.

• 5. Ультразвуковая обработка опитанскальных пленок . Ст.Аз вызывает исчезновение спонтанной поляризации в • спектрах возбукдения фотолташюсцонтного излучения, чго

■ свидетельствует об иочезновоша механических напряжений деформированных в процессе вцрачизатш пленок, лрп-

. чем эффект обладает порогом по мощности ультразвуковой ¿<шм -и ускоряется с повышением температуры во время 730.

Апрсбавдя работн

Наиболее важные результаты докладывались на 23сесо~ юзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (/шгабат 1991), 1~Мендународнсй ЛКЗсосоюзной конференции "Физика, хишия и технология лкшаюфоров" (Ставрополь 1992)Г научно-технических конференциях Турк-: менского политехнического института (Ашгабат) и на семинарах кафедры "Общей физики" Туркменского политехнического института. ' -

Дубликаты. Ооновше результаты дисоортгадаонаоИ работы отрааенн в четырех научных статьях и в двух тезисах конференции, список которых приведен в конце автореферата.

Объом и структура диссертации. Диссертация.состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы, содержит 127 страниц, из которых 88 страниц машинописного текста, 32 рисунков на ¿0 страницах, 6 таблицы, 109 наименований литературы на 12 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРКАНИЕ РАБ01Ы

Первая глава (литературный обзор) содержит информационный научный материал о глубоких центрах атомов переходных элементов в полупроводниках А^Вд. Рассматриваются . примеси V , Ег , Сг , Мп. , Си элементов в полупроводниках А3В5 ( Со.Лз , Оо-Р ). Основное внимание уделяется на зарядовые состояния центров, приводятся интерпретации многих авторов по поводу образования, глубоких уровней дагашм зарядовым состоянием. Выделяются проблемы, существующие при 'определении энергетического положения. уровней, создаваемых атомами переходных: элементов в зал-" решенной зоне полупроводников, поскольку'в этом вопросе до еж пор существует некоторая неопределенность. .'

. Более подробно рассматривается электронная структура примесей Сг , Ре , Мп. , создаваемые в ■ полупроводниках Оа.Р , . ОаЛй .

Часть гла£ы'посвящается на обозрение физико-хями-ческой природы основных глубоких центров свечения в ар-сешзде галлия. ' ■ '

Работы по исследованию излучаталыюй рекомбинации на глубоких центрах в ОаЛз ' в большинстве случаев ш~ полнены фотолшинесцелтнымп, пъезоспектроскопическими, поляризационными методами. В результата исследований созданы модели комплексов, удовлетворящие экспериментальные дашше. .

Идентификация- полос свечения примесных дефектов,создание йз£ моделей тояе имеет спорные вопросы.. Этому свидетельствует имеющегося различные модели объясняющие одной и той ко полосы' свечожш. Например, полоса ЛЛ) к

0,Эо эВ в (гаАъ ыокет быть вызвана антиструктурнил де-•фектом \^уДв /I/, в работе /2/ утверждается, что эта.палоса может возникать при наличие пра-лосей Те , где создается комплекс ,' • •

• :/-'• Во второй главе анализируются рекокоинацнсшшо : процессы в шарокозоншвс полупроводниках в рамках монополярного фотопроводника. Рассматриваются температурные . зависимости фототока, лккс-амперние характеристики.Анализируются тшпгчшга явления в фоточувствитслышх крис- ■ тачлах как:

^ иелмейяость люкс-а.'лперной характеристшш;

- температурное гашише фототока;

- изменение фототока при дополнительном освещении при-меснш светом определенных длин волн оптического гашения фототока;

- увеличите фоточувствителыюсти при введении в кристалл новых типов рекомбшшциошгых центров с особыми свойствами.

Рассматрьваехся методика фотоэлектрических измерений. Подробно рассмотрен модернизированный вакуумный .криостат с элементами дая фотоэлектрических измерений.

Показана мзтодш<а патаризационкш" из;.,орешщ спектров свечения. -Исследование спектров фотолшинесценции и спектров возбувдения фоталкшшесценциа производилось с помощью автоматизированной установки СД.1-2. Установка имеет многоцелевое назначение, позволяет пршонять разнив источники возбуждения, обеспечивает запись спектров излучения и изменение спегстров возбувденш в диапазоне 200-3300 нм. Рассматривается работа функциональных элементов установки.

В третьей главе , рассмотрено исследование рекоыби-нациошшх процессов в фосфиде галлия с яршесжш колеза. Параграф 3.1. посвящается метода« исследоьанш электрофизических параметров и спектральной характеристики фотопроводимости в (?о.Р:Ра .

Показано, что сопротивление в середине слитка распределено однородно, доказывающий.отсутствие разлютллс ..'структурных р-п шш н-п переходов. Кроле того, идентпфи-

цированы прж.'ссныо полосы жзлеза в спектрах фотоирозоди- ; мости с максимумами ^„с 2,24. эВ, ¡¡Я = 0,65.-г 0,85 эВ, к^0,95, 1,6 аИ.

Корреляция спектра фотопроводимости и спектра поглощения в коротковолновой области я расчетные значения коэффициента поглощения, определенная подборе;.! зарядового состояния уровня, потенциал которого описывалось & -функцией, показывает, что глубокие уровни ири-лессй кал а за в GclP имеют хороиов согласно при значениях зарядового состояния Z =0 и Z =-1. .

Далее исследование .температурных аавксиирстой прово-" димости (§3,2), позволяет определить энергии' активации мелких примесных уровней, .Концентрация приыооей, ооздаццая уровни прилипания с энергией .ионизации í:¿ ~ 0,27 эВ, . совпадает с концентрацией ирмаосей колоза,.что позволяет! предположить уровни прилипания с энергией —0,2? »В

также в Са,Р образуются из-за-npiwecoii железа. Такое-комплексное исследование позволило построить энэргсп'ичес-кую модель алектрошшх переходов, удошетморящув' оксиорй-'ментальные данные и хорошо согласуй®коя с решлбшшда-онншш. переходами, допускаемые лрашшшаг .onxJopa,.'-. . ; ;

Четвертая глава посвящается исследованию фстоэлектри-г ческих процессов в энитачепаяьюд шюнках. п-тица арсоннда галлия. В данной глаго вшсимтся,.. что jipú' риределепни*'-технологических условиях (слабое легирование*' шшгШ.'.фоц неконтролируемых. прплесей, при ¿кредаденноЗ. стопзаи;ком-:-ленеащш) в эпнтаксиалыих п- , AlAs-.,;1юзшцса«г спецнфи-: ческие фотоалоктрическиа свойства".HoJijiiióynHO. »сигуярооод— пикам Л3В5 ■"';'■"/■..

Исследуется зависимость подвлвдост:.от:ко1в?о11трации . * равновес!Шх носителей рзрэда при температуре 300 К.Согласие расчетных и эксиери:лонтальйих данных додускаот, что уменьшение подвижности jlLn с -увеличение л ' .' . п0 обусловлен только лшь' нолярнш ..оптичоиюи paco еяшш'л (из-за кулонов-ского взаилодсйстБНя).. • •.'

Исследование лше-агшарной характериемши (ДАХ) про-. Бодалось в оспоавом.-з условифс.'якзкиго' уровня Бозбукцедая.:. Об этом свидетельствует оуашшйнорть JIAX. Миаииавьноа

значение показателя нелинейноетк при высоких интенсивное тях <? ЛАХ лежали в пределах 0,15 т 0,7. В импульсном рехиме измеренные ЛЛХ имеют два в ряде случаев три протяженных по шкало интенсивности возбуждения участка насыщения.

Определены времена релаксации фотопроводимости в участках насыщения. Зная величину отношения лп///п ' опрадотяясь концентрация акцепторных уровней Ы^ но уровню насыщения ЛАХ. В исследованных образцах 8-Ю11 -г 1,5-Ю13 см-3. Насыщение ЛАХ при низком уровне возбуждения &п«11с, что нетипично полупроводникам А3В5, обуслоаюно опустошением акцепторных уровней, связанных предельной оптической.перезарядной центров.

Температурные зависимости фотопроводимости и их сопоставление с температурной зависимостью лодвишюсти Выявил участок.термического гашения фототока, что свидетельствует о подключении в процесс рекомбинаций при определенной Т температура более быстрых Б -каналов рекомбинации.

Спектральная характеристика .позволила определить анергию акцепторного уровня, что составляла величину Ес1-1,0 т 1,05 эВ. '

Далее детально анализируются рэкомбинацкошше. процессы с участием а и С -каналов рекомбинации. Опреде-. даются условия исключения из процесса рекомбинации а- — центров. Если первая полка ЛАХ связана истощением каменного рокомбинационного канала, то вторая полка истощением более быстрых каналов рекомбинации. Вычисляется некоторые параметры рекомбинации, в частности скорость поверхностней рекомбинации в эпитаксиальных пленках ( 5 =И-2 10* .си/с).

' Пятач глава посвящается оптическому исследованию монокрксталлическюс и пленочных образцов из 6Ь71з легированные примесями переходных злшдентов.

Исследовались монокристаллы ОаЛо , легированные Мл в процессе роста. Вырезанные по кристаллографическим плоскостям образцы в виде параллеллотшода, позволили исследовать поляризационный спектроскопией возбуздения и ляли-

песценцци /3,4/, которые производились но ортогональной схо.'.нэ. В спектрах фотшзшнвсцешит при шэддал возбуждения Си. -лазером наблюдаются переходи и окиеодшой области спектра с максимумом - 1,5 эЕ и /А^ =1,49 зВ (при Т = 4,1 К). В некоторых образцах иомж.-о о тих наблюдаются глубокие ранее ноодонтифщировашшо полосы с иаксюуиага: 1,27 оВ а - 1,34 эЗ. Проведены спектральные измерения экстремальных значоштК :;слдризаци-ошшх дютрамл свечения в зависимости от энергии квантов возбуждения для образцов различцой концентрации марганца.

Экспериментальные данные по С1ю.>:?рзи • возбуждения люминесценции и наведенной поляризации показывают, что .для центров свечения в данных образцах, характерны;.! я&тотся наличие "привесной" области в спектре возбу;;-;ош!я лккинес-цанцпц с иаводоикой поляризацией по всол полосу лкышкэо-ценцаи. Данные факты указшшлг, на то, что сщ«отр:и центров этого типа наш, чеа 'локальдая сильот/т кристалла.

Что,.касается кристаллов. с кенцелтр^цпел марганца 10*6 сто ода характеризуются прргсдашаяыю,0'шгчшш спектрами Еозбуадеаая л 'друтел •. гояюшшеч .нуль--^оконной линия. Сущезтвоннш отшшш отях. сбраьцой гаюдеся отоут-отьиом наведенной лоллразаши в оиекгро ьдевуздвше*. Это. является следствием высокой сишатриа' цонтоа Мп, (типа

та). *

Были иссдедозанп спектры по'зиуздокл. и;;котбрых полос -свечения зпчтаксиалгших влоиок, • г - тех- т цздос в ^металлах с близкйш заачеиаглч' кокцонтрац'.ы сг.ободилх носителей. Спектры вэзбувдешш глубоких- центров•'&лии$тш<сядяышх плойках содоржт иитенсивниз пал оси в облаолл асци-яош'шх-переходов о достаточно. розкой\."даснб1)".' г'рашщей в -цриабо-ной области. В случае в л:оиокристшшкоекюс объемных образцах имее™ С1Ш.НО раз.-.шту ы "краску»" /границу я кро;,ю того наблюдаются иатзнсишшо иа'ссймуыы в- 11р::..;ескоп'. области спектра коасувдецця. Такое различие обменяется тал, что -оптическая длина пути душ' а6в0у>дащих\квднтол:'ирц М^/Гд является малой в случае, эш1кжсиалыщх пленок, толщина которых составляет 5 4- 5!.)ич/.\ '

Поляризационные исаледованяя спектров возбуздония не-

которых полос свечения эпитакскалышх .пленок при 77 К Показали, что в области "красной" границы" имеет место анизотропия центров свечения, о чем свидетельствует нарушение постоянства степени спонтанной поляризации ^ спектра возбувдения именно в той области спектра. Экспериментально показаны и определены параметры, от которых зависят величина степеш! спонтанной поляризации

¡^ - зависит по крайней мере, от следующих параметров: величины и распределения внутренних напряжений на границе щенкачюдзожка (возникающий из-за различий технологических условий роста);отношония концентрации центров, находшчихся в напряженной и нёнапрякенной областях, энн-таксиальной пленки;направления возбуждающего свота и регистрации фотолшинесценции относительно кристаллографической ориентации образца; "кесткости" центра свечения то есть, барического коэффициента , который штат

изменяться от полосы к полосе.

Для проверки вывода о зависимости дали центров и их анизотропии, находящгнея в напрятанной части пленки от ее толщины, были проведены измерения степени спонтанной поляризации на специально изготовлешшх образцах со сту-денчатда травлением зпитаксиальной щенки. Так как в ртом случае кристаллографическая плоскость подложи для рсох толщин одао.и то&е, поэтому изменение механического рапрякения может быть вызвано только с изменением тал- • дины и исключается ео изменение в зависимости от кристаллографической плоскости. Показано, что но моро уменьшения толщины центры свечения, оказавииеся в напрякенных алоях г С Л^ 50 мкм) становится анизотропны?.:;?.

Таким образом доказано, что монотонные изменения степени поляризации спектра возбуждения связаны с центрами свечения, которые расположены в эпитаксиальной пленке, и сяедоштельис) преимущественно механическое напряжение локализовано в переходной области структуры. ,

В конце пятой главы рассматривается воздействие ультразвуковой волны на поляризацию спектра возбуждения ; в эпитаксиальшсс слоях СиА& Результаты экспериментов показывают, что с увеличением мощности ультразвука сте-