Исследования дефектов с глубоким уровнем в нелегированных эпитаксиальных слоях арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

На правах рукописи БРУНКОВ ПАВЕЛ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 621.316.692:639.293

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ В НЕЛЕГИРОВАН} ИХ ЭЛИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ ЛРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

01.04.10 - физика лолупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Ордена Ленина Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель :

лауреат Государственной премии СССР,

доктор физико-математических наук,

профе ссор С.Г.Конников.

Официальные оппоненты :

доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник А.А.Гуткин,.

кандидат физико-математических наук,

'доцент А.В.Соломонов.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный технический университет..

Защита состоится ■■ 2 ■■ _1992 г.

на заседании специализированного совета Я К 003.23.01. в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 26»

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенны' печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на им ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан •• '21- 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

Г.С.Кулик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ,

Диссертационная работа посвящена исследованию собственных точечных дефектов с глубокими уровнями в нелегированных эпитаксиальных слоях арсенида. галлия в зависимости от технологических условий выращивания и последующих обработок (высокотемпературный отжиг и облучение протонами). Актуальность теш. В последние года вале прочно вышел на второе место Г~после ) по своему значению в современной электронной технике. Достаточно большая ширина запрещенной зоны, вчсокая подвижность носителей заряда и зонная< структура, обуславливающая возможность прямых межзонных переходов, обеспечивают большие перспективы применения этого материала для изготовления широкой гаммы оптоэлектронных приборов, приборов СВЧ техники, детекторов ионизирующих излучений и ряда других устройств. В большинстве приборов эпитаксиальный слой саАэ, наращиваемый на подложку, играет роль активной области ролу .роводникового устройства. В связи с этим к качеству эпитаксиальных слоев предъявляются очень высокие требования : высокая чистота слоев и совершенство их структуры, стабильность параметров , возможность воспроизводимого получения заданного профиля концентрации носителей заряда. Характерной особенностью полупроводниковых материалов является сильная зависимость та основных электрофизических параметров не только от содержания примесей, но и от степени совершенства кристаллического строения. Арсенид галлия является бинарным соединением, поэтому .ущественное влияние на свойства эпитаксиальных слогз оказывают собственные точечные дефекты в обеих подрешетках, такие, как вакансии, междоузельные атомы. агатэПо-дефекты, а также их комплексы. В большинстве случаев собственные точечные дефекты приводят к появлению дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне. Центры безызлучательной рекомбинации, деградация полупроводниковых лазеров и светодиодов. образование и отздг радиационных дефектов, значительные изменения

концентрации носителе^ заряда, вызванные термической обработкой

- это области, где изучение поведения собственных точечных дефектов и их взаимодействия с примесями могло бы содействовать значительному прогрессу в управлении свойствами материала и создании надежных полупроводниковых приборов..

Научная новизна работы заключается:

- в установлении влияния температуры начала кристаллизации и высокотемпературного отжига на механизм компенсации нелегированных эштаксиальных слоев сэаб, полученных методом щэ.

- в обнаружении зависимости, связанной с контролированием отклонения состава • вале от стехиометрического, концентрации собственных дефектов с глубокими уровнями от содержания изовалентной примеси Вт в растворе-расплаве са-в-;.

- в обнаружении образования еьг дефекта, проявляющего эффект гашения фотоемкости, при облучении п-саАэ высокознергетичными протонами.

Практическая ценность работы заключается в том, что созданный комплекс методов и полученные с его помощью данные послужили основой для оптимизации технологических режимов выращивания нелегированных эпитаксиальных слоев саде и приборных структур на их основе.

Основные положения, выносимые на защиту

Т~. Комплекс методов включающий установку для проведения фото-электроннозондовых и фотоемкостных' измерений на базе растрового электронного микроскопа , установки оптической токовой и емкостной НСГУ , установку для измерения электрофизических параметров методом Бан-дер-Пау , обладает достаточными возможностями для исследования оптических и термических характеристик дефектов с глубоким уровнями в эпитаксиальных слоях.

2. Механизм компенсации нелегированных эпитаксиальных слоев вал*., полученных мзтодом КФЭ. зависит от температуры начала кристаллизации и высокотемпературного откига

- с увеличением Т„ к_ растет концентрация собственных точечных

дефентов и расширяется их номенклатура. При тн.Кр.г800°с в процессе ШЭ а^сенида галлия происходит образование 1-слоя, в компенсации которого наряду с акцепторными дефектами hl2 и hls участвует донорный дефект, подобный el2 ;

- термообработка эпитаксиальных слоев GaAs при То>850°С приводит к инверсии проводимости из 1-й п- в р-тип, которая связана с генерацией нового акцепторного дефекта с глубоким уровнем, термическая энергия активации которого равна ед=о.17 эВ. Спектр фотоионизации уровня ед имеет красную границу при энергии, фотона,равной е°= о.зб эВ.

3. Изменение содержания изовалентной примеси Bi в жидкой фазе позволяет контролировать концентрацию собственных точечных дефектов, связанных с отклонением состава GaAs от стехиометрического.

4. Увеличение содержания Bi в жидкой фазе х®, от о до о.э ат.д. приводит к уменьшению на порядок концентрации уровней hl2 и hls.

5. Природа собственш..: акцепторных дефектов hl2 и hls связана с вакансией мышьяка.

6. Увеличение содержания изовалентной примеси Bi в жидкой фазе выше о.в ат.доли при выращивании эпитаксиальных слоев GaAa методом КФЭ приводит к образованию и росту концентрации новой дырочной ловуики hfi, связанной с собственным точечным дефектом, который отжигается при То*<>00оС с образованием el2 дефекта. Термическая энергия активации уровня hfi равна о.47 эВ.

7. Облучение GaAs высокознергетичными протонами приводит к образованию Еиг-дефекта. проявляющего эффект гашения фотоемкости. Природа EL2 связана с изолированным antisite-дефектом AsQa.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались й обсуждались на xi Всесоюзной конференции по физике полупроводников ( Кишинев, 1988 ) ; на vi Всесоюзном симпозиуме по РЭМ и аналитическим методам исследования TB^p^jx тел ( Звенигород, 1989 ) ; на i Всесоюзной конференции по физическим основам твбрдотельной электроники (Ленинград, 1989); ьа 1 Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явтениям

в полупроводниках (Ташкент 1989); на i Международной конференции по эпитаксиальному росту кристаллов (Будапешт, Венгрия, 1990) Публикации.По материалам диссбртации опубликовано 13 научных работ, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

трех глав и заключения, а также списка литературы, включающего 141 наименование. Работа содержит 165 страниц машинописного текста, 38 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы основные _ цели, даны сведения о структуре работы и приведены поло»ения.выносимые на защиту.

• Глава I. Собственные точечные дефекты с глубокими уровнями в GaAs (литературный обзор). Б начале главы рассматривается процесс ),!ФЭ. Показано, что состав кристаллизуемого бинарного соединения зависит от интервала рабочих температур роста и состава раствора-расплава и определяется, областью гомогенности GaAs, которая имеет ретроградный характер и асимметрична по отношению к стехиометрическому составу. Поскольку условия проведения процесса КФЭ близки к равновесным,то, подбирая технологические условия, мокно получать эпитаксиальные слои GaAe с требуемым соотношением между концентрациями' разноименных собственных точечных дефектов, связанных с отклонением состава соединения от стехиметрического.

Рассматриваются основные типы "элементарных" точечных дефектов в обгих подрешетках GaAs. Показано, что при захвате электрона на дефект с глубоким уровнем имеет место сильное электрон-решеточное взаимодействие, поэтому для полной идентификации дефзкта необходимо проведение комплексных исследований, позволяющих определить термические и оптические характеристики глубокого уровня. Далее подробно обсуждаются методы для определения оптических и термических, характеристик

глубоких уровней.

В последней части главы представлены экспериментальные •результаты, накопленные к настоящему времени, свидетельствующие о том, что электрофизические свойства нелсгкрованного арсенида галлия зависят' от присутствия в нем собственных точечных дефектов в обеих подрешетках. Продемонстрирована практическая важность антиструктурного разупорядочения, ' так как в нелегированном GaAs концентрация antis its-дефектов достаточно высока.

На основании проведенного анализа литературных данных сделан вывод о том, что к моменту начала настоящей работы отсутствовала полная информация о механизме компенсации нелегированных эпитаксиалъных слоев GaAs, вырзщенных при высоких температурах начала кристаллизации Тн Кр >800°С ; не было изучено влияние содержания изовалентной примеси вi в растворе-расплаве на тип и концентрации собственных точечных дефектов в нелегированных эпитаксиальных слоях GaAs ; имелась ограниченная информация о радиационных дефектах с глубокими уровнями, образующихся при облучении высокоэнергетичными протонами эпитаксиальных слоев GaAs и приборов на их основе

В заключение первой главы на основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи диссертации.

Глава 2. Техника эксперимента и методы определения параметров дефектов с глубокими уровнями . Данная работа посвящена применению комплекса методов для исследования электрофизических параметров эпитаксиальных слоев GaAa, выращенных методом ЖФЭ. Знание параметров Дефектов с мелкими и глубокими уровням ( концентрации, профиля распределения по толщине структуры, энергетического положения и т.д.) представляет большой интерес как для контроля качества материала, так и для понимания физических процессов, происходящих в приборной структуре, .элементом которой является эпитаксиальный слой.

Для определения термических характеристик дефектов с глубокими уровнями ( энергии активации и сечения захвата )

применялись метода токовой и емкостной НСГУ. Структур о высокоомным компенсированным слоем имеют маленькую емкость (порядка единиц ря), поэтому емкостная методика имеет- в данном случае низкую чувствительность. Кроме того, емкость структур с компенсированным т-слоем имеет сильную зависимость от температуры, что значителоно затрудняет проведение измерений методом емкостной НСГУ. Поэтому для исследования таких структур, нами Оыла разработана установка токовой НСГУ на базе крейта КАМАК и микроэвм ДВК-3. Программное обеспечение написано на

Я Же <ЗиЕ51С-2.

Для достижения высокой чувствительности установки в качестве предварительного усилителя был использован преобразователь ток-напряжение на основе операционного усилителя , с нагрузочным сопротивлением I Мом . Данная схема обладает рядом преимуществ перед традиционной схемой, когда нагрузочное сопротивление включается последовательно с исследуемой структурой : возможно использование высокоомного нагрузочного сопротивления ( I Мом), что позволяет получить высокую чувствительность системы (I В/мкА), при этом из-за низкого входного сопротивления преобразователя ток-напряжение (порядка десятых долей Ом) нет перераспределения напряжения смещения между исследуемой структурой и нагрузочным сопротивлением.

Сигнал релаксации тока после импульса возбуждения записывается в оперативную память ' ЭВМ, где происходит его математическая обработка. Температурное скагфование осуществлялось в диапазоне Т=80+500 К. Основные параметры установки токовой НСГУ :

1. Чувствительность 0.1 на

2. Полоса пропускания предварительного усилителя 12 кГц

3. Период импульсов повторения 256 мс

4. Длительность импульсов возбуждения 102+105 мкс

5. Амплитуда импульсов'возбуждения 0.1+10 В

6. Диапазон изменения окна темпов эмиссии 12-5000

7. Точность измерения температуры ±0.5 К

Емкостные измерения проводились на спектрометре DL4600 фирмы "bio-pad". работающем в режиме двухстробного интегрирования . Для измерения емкости использовался мост Boonton-72B, работающий на частоте I МГц. Чувствительность этой установки равна дс/с0~ю-4.

Для исследования оптических характеристик дефектов с глубокими уровнями применялся метод, основанный на регистрации модуляционного сигнала, возникающего при облучении образца монохроматическим ИК-светоМ, модулированным с частотой 33 Гц.. При этом одновременно со светом имеется возможность облучать образец электронным зондом в локальных участках структуры. Данная методика была реализована на базе рентгеновского микроанализатора jxa-sa. Автоматизация установки осуществлена на базе крейта КАМАК и ibm рс. Программное обеспечение написано на языке Turboc. Монохроматический ИК-свет в вакуумную камеру этого прибора вводился через встроенный оптический микроскоп . Вся стеклянная оптика ^ нем была заменена uf и зеркалами. В качестве источника монохроматического .ИК-света использовался глосар с монохроматором ИКМ-I. Спектральный диапазон использумого • ИК излучения определяется энергией ионизации глубоких уровней, которые предполагается исследовать, и равен e°s hi' s Eg. где e° - оптическая энергия ионизации глубокого уровня, h^ - энергия излучения монохроматического ИК-света, Ед - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала.

Одновременно с ИК-светом образец может облучаться сфокусированным тонким пучком электронов постоянной интенсивности с энергией Ео=го+зо кэВ. Ток электронного зонда устанавливается в ^¿ределах i3sio"7a, так как при больших значения появляется рекомбинационно-генерационный шум, сравнимый по величине с измеряемым сигналом. К p-n-структуре прикладывается напряжете обратного смещения ио в пределах о^и^и^ . где иПр - напряжение пробоя р-гт-перехода. Температура образца может устанавливаться в пределах т=юомоок с помощью азотного криостата проточного тип?

Модуляционный ги! ..ал при этих измерениях регис грирова^пя с

помощью синхронного • детектора unipan гзгв. Спектральная зависимость модуляционного сигнала дает информацию об энергетическом положении глубокого уровня.

В режиме фотоемкостных измерений вместо преобразователя ток-напряжение и синхронного детектора unipan гзгв подключался емкостной мост Boonton-72L , выходной сигнал с которого сразу поступал в крейт КАМАК.

Для определения удельного сопротивления р, температурной зависимости концентрации и подвижности ц свободных носителей заряда в тонких эпитаксиальных пленках проводилось измерение э.д.с. Холла по методу . Ван-дер-Пау. Каждое измерение дает возможность установить среднее значение электрофизических параметров в ' слое. Информацию о профиле распределения электрофизических параметров по толщине струтуры получали с помощью послойного травления. При проведении температурных измерений держатель помещался в криостат, который позволяет выставлять температуру в диапазоне т=4.5»зоо к.

Глава 3. Исследования дефектов с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях арсенида галлия. ■ В первом параграфе представлены результаты исследования механизма компенсации эпитаксиальных слоев GaAs. полученных методом ЖФЭ. в зависимости от технологических условий выращивания. Показано влияние температуры начала кристаллизации ( Тн Кр ) и последующего высокотемпературного отжига на тип и концентрацию собственных дефектов с глубокими уровнями.

Нелегированные эпитаксиальные слои GaAs выращивались методом ШЭ из ограниченного объема раствора-расплава в кварцевых и графитовых контейнерах . Компенсация и легирование этих слоев осуществлялись за счет фоновой примеси и дефектов.

Исследования показали, что в эпитаксиальных слоях п°-типа выращенных при низких Тн Кр =650-800°С, присутствовали два глубоки уровня hl2 и HL5 (табл.1). С увеличением TH>Kpt наблюдалс экспоненциальный рост концентрации уровней ниг и hls , и при Т*850° она должна быть на уровне 5хю14см~3.

Таблица I

Тип Энергия Сечение

Ет ,эВ от ,см^ р.п

н1 0.18 -14 3.2x10

н1.2 • 0.72 7.0хЮ"15

н1.3 0. 53 6.7ХЮ"16

н1.4 0.42 3.4ХЮ"16

н15 0.38 7.1Х10"14

НР1 0.47 г.охю"17

е1 0.81 1 .2хю"1 1

Е1.2 0.88 1 . 7хЮ-14

ЕЗ 0.33 •2.1х10~15

Е4 0.61 г 4х1о~14

Е5 0.82 -1 2 1.6X10

При увеличении Тн Кр =850°С происходило усложнение спектра НСГУ . Появились глубокие уровни ш_з и ш.4 (табл.1), связанные с яе и си . которые присутствуют в металлическом ва в качестве фоновой примеси. При Тн#кр г850°С в процессе ЖФЭ происходило формирование р+-р°-1-п°-структуры, в которой толщины слоев зависели от температурно-временных режимов эпитаксиального процесса. Спектр НСГУ в этом случае определялся главным образом температурой формирования р-п-перехода, а не Тн кр .

Проведенные на ми НСГУ измерения на многослойных р+-р°-1-п°-структурах в режиме инжектирующих импульсов напряжения показали, что в ^области структуры помимо уровней ш_2 и нь5 присутствуют уровнь е 1 (табл.1), который подобен по параметрам о+/о° состоянию Е1.2 дефекта , и уровень Н1 (табл.1), который идентифицировался как переход ва~3/сад~ «пыв^е-дефекта ааДв .

Поскольку в многослойной р+-р0-т-п°-структуре при Прямом смещении имеет место двухсторонняя инжекция, то для утешения

идентификадии электронной ловушки ei нами был применен метод токовой НСГУ с оптическим способом возбуждения неравновесных носителей. Для этого образец' облучался со стороны р+-слоя импульсами света с длиной волны 0.82 мкм и мощностью примерно 100 мВт от полупроводникового лазера. При этом на структуре поддерживалось постоянное обратное смещение и .-1.зв. Неравновесные неосновные носители (в данном случае электроны) будут диффундировать в строну i-области, где и осуществлялось изменение заселенности электронных ловушек. Приняв, что размеры области объемного заряда (w> совпадают с размерами i-области по амплитуде пика в НСГУ спектре (д1 > , можно вычислить

max ^ * а

концентрацию донорных ловушек в i-области : ме1~5*ю см" .

Так как сигнал в методе токовой НСГУ не дает информации о типе глубокого уровня, то для получения дополнительной информации при идентификации глубоких уровней в р+-р°-1-п°-структурах были изготовлены диода с барьером Шоттки. В диодах Au-n°(GaAs), изготовленных на п°-слое структуры р+-р°-1-п° после „ошлифовывания остальных слоев, был обнаружен Е1_2-дефект. Он проявлял эффект гашения фотоемкости, но не регенерировался инжекцией.

При исследовании многослойной р+-р°-1-п°-структуры, полученной при Тн>кр>=900°С , установлено, что профиль распределения коицетрации носителей и подвижности р°- и п°-слоев имеет тенденцию уменьшаться в сторону i-слоя. Только на металлургической границе р+-р° имеется резкий минимум подвижности, что связано с большой концентрацией дефектов на этом интерфейсе. Для двух сечений п°- и р°-слоев были измерены температурные зависимости концентрации свободных носителей посредством измерения э.д.с. Холла методом Ван-дер-Пау. Для определения параметров эпитаксиальных слоев экспериментальные данные аппроксимировались по методу наименьших квадратов к аналитическому решению уравнения нейтральности. При этом .гля п°-слоя были определены следующие параметры : nq=i.74«io15cm~3, £,=0.0018 эВ, n.=4.. Степень компенсации слоя

О А .

n /м =0.24 . Для р -слоя были получены следующие результаты :

Ыд1 = 1х1015см"3, ЕД1=0.074 ЭВ И Ы0=8.вЗхЮ14СМ_3. УрОВвНЬ ЕД1 СВЯЗАН О агИПаПе-ДефеКТОМ СаДд (ПервХОД <3аАв/<3ада)

концентрация которого является преобладающей в вале, выращенном методом НФЭ .

Установлено, что в диапазоне температур отжига То=500-8Б0°С каких-либо изменений электрофизических параметров эпитакспальных слоев не происходит. Лишь при 850°С возникают существенные изменения . В Р°-слое при То=950°С наблюдается увеличение концентрации носителей' и размытие области р+-р°-перехода на 9*10 мкм, что связано с диффузей 2п из подложки. Происходит также рост' подвижности дырок в этом слое и исчезает минимум в области р+-р°-перехода. После термообработки меняется тип проводимости п°-слоя, толщина которого 60 мкм. Проводимость этого слоя- так же, как и проводимость -¡-слоя (толщина 70 мкм), становится дырочной, а вся структура превращается в структуру р+-р°-типа.

С помощью аппроксимации температурной зависимости концентрации дырок в отожженом п°-слое установлено, что концентрация мелких доноров после термообработки не изменилась м0=1 .44хю14сш-3. Инверсия типа проводимости связана с генерацией нового акцепторного уровня ед2=о.1во эВ с

Концентрацией Мд2=2.22*1015ст~3.

В термообработанном р°-слое наблюдается два акцепторных уровня, которые имеют следующие параметры : ыдз-9.21хю14см~3и едз = 0.033 эВ, мд4-3.05х1015см~3 и ед4 = 0.189 ЭВ. ПрИ этом концентрация мелких доноров осталась на уровне ы0=1.17хю15см~3. Появление эмиссии с уровня едз может быть вызвано диффузией атомов цинка, которая, как было показано выше, существенна на глубине 10 мкм от подложки и поэтому не ответственна за изменение степени компенсации в вышележащих" слоях. Параметры уровня еД4 близки к параметрам уровня ед2, появляхщегося в отожженом п°-слое.

Из спектральной зависимости модуляционного сигнала после термообработки эпитаксиальной р+-р0-1-п°-структуры. измеренной при одновременном облучении ИК-светом и электронным зондом,

установлена красная граница фотоионизации нового глубокого уровня Е^О.Зв эВ.

Во втором параграфе приведены результаты исследований, показывающие, что при ЖФЭ вале добавление в раствор-расплав изовалентной примеси В1 позволяет управлять стехиометрией эпитаксиального слоя .

В работе изучались' эпитаксиальные слои саде, выращенные при изменении атомной доли в1 в составе растворителя от х01=О ат.д. до Хц.=1.0 ат.д.. Слои выращивались на подложках вале^п п+-типа (п+«« 2.0хЮ17см"э). с ориентацией <100>. Температура начала кристаллизации Тн Кр изменялась от 650°С до 800°С. ' Толщины слоев составляли 15+20 мкм. Для получения р+-п-перехода на п-слой сверху эпитаксиально наращивался р+-слой вале, который легировался ее (р+~ 1+ЗхЮ18см~3).

В оиз-спектрах эпитаксиальных п-слоев валв, выращенных при Т„ „_ =760°С с .¿0.4 ат.д. , наблюдались известные ловушки ш.2

п.лр. о 1

и н|_5 (табл.1). Концентрация ш.2 уровня, определенная из оитэ измерений, при всех значениях х*. была примерно в два раза больше концентрации т.5 Уровня.

Установлено, что с ростом содержания Вт в жидкой фазе х^ от 0 до 0.9 ат.д. происходило линейное более чем на порядок уменьшение концентрации уровней т.2 и ш.5, при этом концетрация |ий-ыо| (где Ыа- концентращш мелких донорных и акцепторных примесей) сократилась только в пять раз.

При выращивании эпитаксиальных слоев соаэ из раствора-расплава в ва концентрация мышьяка и его активность малы, поэтому доминантными являются собственные дефекты в подрешетке мышьяка (<заД8 и уД8) • При ЖФЭ арсенида галлия из раствора-расплава са-в1, где В1 обладает чрезвычайно низким коэффициентом сегрегации, ситуация радикально изменяется. С увеличением содержания висмута в жидкой фазе происходит уменьшение.отношения концентраций галлия и мышьяка, что должно приводить к снижению концентращш дефектов в подрешетке мышьяка.

Исследования показали, что • в эпитаксиальных слоях вадо, выращенных в области составов расплава с х^г0.8 ат.д.

наблюдается появление новой дырочной ловушки, названной нами нр1 (таб".1). Энергия оптической активации, полученная из спектральной характеристики этого уровня, равнялась Е0=0.36 эВ . Концентрация уровня нп резко возрастала при увеличении содержания висмута в составе раствора-расплава и при Хд^Г.О ьг.д. сравнивалась с концентрацией 1^-м |. В эпитаксиальнп слое саде происходило образование 1-области толщиной 13+14 мкм, компенсация которой определялась уровнем нр1, что не позволило определить точную концентрацию этого уровня из ои-з измерений .

При х^>0.5 ат.д. и Тд Кр --700°С в 01_тз-спектре наблюдалось' появление электронной ловушки, близкой по параметрам к еь2 дефекту (табл.1). Уменьшение температуры начала кристаллизации тн кр 570000 приводило к снижению концентрации Е12 и нр1 уровней до N.. ,=3.0хЮ12см~3 и ми =1.1*ЮГ4см~3 , одновременно

с Нг 1

происходило исчезновение кошенсированной 1-области. При Тн>кр> = 650°С и Хц^!.0 ат.д. наблюдалась инверсия типа проводимости : вырастал р-слой с -ы .|=3+4хЮ14см"3 и N.. = 4.0*Ю13см~3 и

ТО « 0 пг 1

мЕ12=1.5x10см . Приведенные выше данные показывают, что инверсия типа проводимости связана с изменением коэффициента сегрегации мелких примесей, а не с увеличением концентрации акцепторных дефектов с ГУ.

При выращивании ваАз из растворов-расплавов Са-В1 в области О.О^Хд.Л .0 изменяются одновременно несколько факторов, определяющих условия роста эпитаксиального слоя. Кроме значительного изменения соотношения [са]/[Аз] в жидкой фазе, вызванного уменьшением концентрации галлия в составе растворителя, имеет место резкое возрастание растворимости мышьяка в области Хц^О.8 . В результате этих процессов происходит изменение условий роста эпитаксиального слоя сале от раствира-расплавэ. обогащенного галлием, к раствору-расгпаву, обогащенному мышьяком, что, в свою очередь, приводит к изменению соотношений между концентрациями дефектов в обеих подрешетках йаАз. Исследования показали, что в эпитаксиалъных слоях саАэ, полуиенных при х^^Г.О, происходит образование ниг-уровня, природа которого связана с апЫзПе-дефектом азс . Появление

уровня hft связано с образованием комплекса дефектов на основе

А8еа и А81' р ж

При отжиге Т0>400 С в GaAs. выращенном при x^-I.O ат.д.,

происходило одновременное уменьшение концентрации hfi уровня.и

рост - EL2.

В последнем параграфе приведены результаты исследований радиационных дефектов с глубокими уровнями в n-слое солнечных элементов на основе гетероструктур AiGaAs/oaAs и диодных структур на основе GaAs с мелким p-n-переходом без широкозонного окна..

• Диодная р+-п°-п+-структура выращивалась методом ЖФЭ при

Тц^р^'.'бС^С. До облучения в п°-слое GaAs присутствовали только

два акцепторных глубоких уровня hi.2 и hl5 с концентрацией около

1хю13см"3 . Чувствительность емкостной НСГУ-установки равна

дс/с=ю~4, при этом емкость измеряемом структуры находится на

уровне с « ioo,iF , а чувствительность емкостного моста составлет

ю fF . Поэтому низкая концентрация свободных носителей в п°-~лое

<|Na-NdH*io,5cm-3) и отсутствие донорных глубоких уровней

позволили исследовать радиационные дефекты при малых

дозах облучения, когда их концентрация была около zxio11cm~3.

Образцы облучались со стороны р+-слоя моноэнерготичным

потоком протонов с энергией Е=6.7 МэВ при температуре Т=300 К и

давлении sio"4 тор. Длина пробега протонов в GaAs при этих

энергиях составляет около 200 мкм , поэтому радиационные дефекты

генерировались равномерно по всей толщине структуры. Доза

Облучения изменялась от Ы010см~2 до 3*1С см"2 при

Р ' —тп

постоянном токе пучка 1*10 А .

Из идентификации по линии Аррениуса установлено, что помимо

известных дефектов ез.ед и es (табл.1), которые появляются в

n-GaAs при облучении высокоэнергетичными частицами , мы впервые

наблюдали образование Е1.2-дефекта. При низких дозах облучения то —?

Фр=1гЮАисм в НСГУ-спектре присутствовали только два глубоких

уровня ез и el2. Де<*"жт ез связывэется с комплексом AS.-V. .

TT -9 1 As

При дозе Ф »1*10 см наряду с увеличением концентоацим

дефектов ез и el2 в НСГУ-спектре появлялся . уровень е4.

Дальнейшее увеличение дозы до Фр=1хЮ12см~2 приводило к росту концентрации дефектов ез и е4 и образованию дефекта е5. При этом концентрация дефекта е1.2 значительно не изменилась. Такое поведение связано с тем, что при низкой дозе облучения (Фр=1хЮ10см~2) в п-оаАв происходило образование изолированных дефектов. С ростом дозы облучения (Фр=1кЮ11см~2 и Фр=1*Ю12см~2) увеличивается концентрация радиационных дефектов и усиливается взаимодействие между ними, что,в свою очередь, может привести к изменению электрических свойств дефектов. Наличие более мелких электронных ловушек рядом с е1_2-дефэктом приводит к увеличению темпа эмиссии электрона, захваченного на более глубокий уровень е1_2-дефекта. Этот эффект обусловлен возрастанием темпа многофононного.туннелирования электрона между близко расположенными дефектами с более глубокого на более мелкий уровень .

При более высоких дозах облучения 4>р=з*ю12ст~2 в НСГУ-спектре наряду с увеличением концентрации дефектов ез, е4 и е5 наблюдался рост концентрации ецг-дефекта до уровня 1. 1хю14см"3. Измерения показали, что при освещении образца монохроматическим ИК-светом с длиной волны 1.2 шал при температуре Т*140 К наблюдался эффект гашения фотоемкости, который является отличительным свойством ньг-дефекта. Спектральная характеристика этого эффекта полностью совпадает с зависимостью, известлой для еьг-дефекта в объемном <зааб.

Из исследований зависимости- концентрации радиационных дефектов ыт от температуры изохронного отжига Т0 в потоке аг в течение 30 глин установлено, что имеется две стадия отжига >гоо°с и >з50°с. На первой стадии происходило уменьшение примерно на порядок концентрации уровня ез, что связывается с рекомбинацией близко расположенных дефектов уд и аз^ . При этом концентрация е1_2-дефекта незначительно увеличилась, а также произошло нег^торое уменьшение концентрации уровней е4 и еб-. Наблюдаемые изменения связаны с тем, что на этой стадии просходит частичная рекомбинация дефектов аэ. и уДз, входящих в кластеры ( е4

и е5 ), и увеличение концентрации - изолированных

апЪ1вие-ДефеКТ0В ЛеСа.

Повышение температуры отжига то*з50°с приводит к отжигу уровней Е4 и Е5. После термообработки при т0=боо°с в п-слое йааб остается только е1,2-дефект.

На основании полученных экспериментальных данных сделан ВЫВОД СВЯЗИ уровня Е1-2 С ИЗОЛИрОВЭННЫМ ant1sitв-ДeфeKTOM АзСа.

Исследовано влияние облучения протонами с энергией 6.7 МэВ на , электрофизические параметры солнечных элементов, представляющих собой слой озаэ^п с концентрацией электронов п=ЬЗх1017см"3, выращенный методом ШЭ на подложке п-саАБ. Сверху слой прикрывался широкозонным окном А10 8са0 2А8. р-п-переход был сформирован на глубине 1.5 мкм путем диффузии го из газовой фазы. Максимальная концентрация дырок в р-области

та _о

составляет р=1х1(грсм .

то —2

Показано, что с изменением дозы облучения Ф от 3x10 см т? -? р „

до 3x10 см з НСГУ-спектре быстро росла амплитуда пика Е ,

который при Фр=3х1012см~2 принимал несимметричную форму с

резким спадом со стороны высокотемпературной области спектра.

Температурное положение максимума пика Е (Тмах=260 К) не

зависело от окна темпов.эмиссии двухстробного интегратора, что

но позволило определить параметры глубоких уровней. С

увеличением дозы облучения росла концентрация радиационных

дефектов и усиливалось взаимодействие между ними и атомами

примеси . Это приводило к тому, что в процессе измерения

НСГУ-спектра с захватом носителя на дефект при температуре,

превышающей Ттак пика Е , происходит перестройка кластера

радиационных дефектов в новую конфигурацию с другим набором

глубоких уровней, не проявляющую электрической активности, что

обуславливает необычную форму пика Е.

Конфигурационные преобразования кластера дефектов изучались 1 помощью изохронного отжига в интервале Тотж=77+385 К при управлении присутствием свободных эпектронов в зоне проводимости посредством включения и выключения обратного напряжения на образце. Проведенный изохронный отжиг показал, что захват электрона на дефект при температуре, превышающей критическую

Тотн=260 К, вызывает обратимую перестройку кластера в конфигурацию, не проявляющую электрической активности. Аналогичный процесс происходил при измерении НСГУ-спектра, о чем свидетельствует совпадение критической Тотж и Тмах пика Е.

Далее представлены исследования зависимости от дозы облучения протонами длины диффузионного смещения' дырок ир в солнечных элементах . Значения 1_р измерялись по сколу структуры методом тока, индуцированного- электронным зондом . Уменьшение при дозах О ¿МО* см~® коррелирует с увеличением амплитуды сигнала НСГУ, отражающего рост концентрации кластеров дефектов в облученном материале.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведения данной работы были получены следующие результаты :

1. Создан и автоматизирован комплекс для исследования оптических и термических характеристик дефектов с глубокими уровнями, включающий : установку для проведения фото-злектроннозондовых и фотоемкостных измерений на базе растрового электронного микроскопа, установки емкостной и оптической токовой НСГУ, установку для измерения электрофизических параметров методом Ван-дер-Пау.

2. Установлено влияние температуры начала кристаллизации и высокотемпературного отжига на механизм компенсации нелегированных эпитаксиальных слоев ваАз, полученных методом НФЭ.

3. Показано, что в процессе выращивания эпитаксиальных слоев йаАз методом НФЭ при температуре начала кристаллизации в диапазоне Тн Кр =650-800°С происходит формирование слоя п-типа проводимости, в компенсации которого помимо мелких фогавых примесей принимают участие акцепторные глубокие уровни н|_2 и н1.5

4. Установлено, что с увеличением Т„ в диапазоне 650-800°С

Н.кр. то

концентрация дефектов щ.2 и Н1.5 растет от 7x10 см до

2*1014см~3 и от 2хГ012см"3 до 7хЮ13см~3, соответственно. Б. Установлено, что при Тн<Кр^800°С в эпитаксиальных слоях'оаАа появляются глубокие уровни, связанные с Ре и си , которые присутствуют в металлическом ва в качестве фоновой примеси.

6. Установлено, что при Тн>кр ^800°С в процессе КФЭ арсенида галлия происходит образование т-слоя. в компенсации которого наряду с акцепторными дефектами и примесями участвует донорный дефект,подобный еьг.с концентрацией на уровне 5хЮ14см"3,

7. При Тн>Кр<700°С получены высококачественные нелегированные эпитаксиальные слои вала с концентрацией глубоких уровней <Ю13см~3, электрофизические параметры которых термостабильны до 850°С.

8.Термообработка эпитаксиальных слоев вале при То>850°С приводит к инверсии проводимости из 1- и п- в р-тип, которая связана с генерацией нового акцепторного дефекта с глубоким уровнем, термическая энергия активации которого равна ед=о.17о эВ. Спектр фотоионизации этого уровня имеет красную границу при энергии фотона,равной е° = о.зв эВ.

9. Обнаружена зависимость, связанная с контролированием отклонения состава вале от стехиометрического, концентрации собственных дефектов с глубокими уровнями от содержания изовалентной примеси в1 в растворе-расплаве оа-в1

10. Установлено, что с увеличением содержания изовалентной примеси в1 в жидкой фазе от О до 0.9 ат. долей происходит уменьшение концентрации дефектов Н1.2 и ш.5 о* 4.2x10 см-3 до 4^Ю12см_3 и от 2хЮ13см"3 до ЗхЮ12 см-3,соответственно. -

11. Экспериментально показано, что природа собственных акцепторных дефектов ньг и ш_5 связана с вакансией мышьяка.

12. Установлено, что при выращивании эпитаксиальных слоев оадз методом КФЭ увеличение содержания изовалентной примеси в^ в жгткой фазе выше о.е ат.доли приводит к образованию и росту концентрации . новой дырочной ловушки нр1 (Енр1=о.47 эВ), связанной с собственным точечным дефектом. кото]Ш отжигается при То*400°С с обоазованием е1.2 дефекта.

13. Обнаружено образование е1.2-дефекта. проявляющего

эффект гашения фотоемкости, при облучении вала высокоэнер-гети^ными протонами. Полученные результаты позволяют идентифицировать Е12 как изолированный атлет ъе-дефект А8Са. 14. Показано, что все радиационные дефекты, за исключением еьг, отжигаются при То>400оС.

13. Установлено, что при обучении солнечных элементов на основе гетероструктур АТваАв/ваАв щютонами с энергией 6.7 МэВ при дозах облучения Фр*1*10 см-2 происходит образование бистабильного кластера радиационных дефектов.

Основные результаты диссертационной работы изложены в статьях :

1. Брунков П.Н..Конников С.Г., Степанова М.Н., Улин В.П.. Соболев М.М. Исследования бистабильных дефектов с глубокими уровнями в GaAs методами токовой нестационарной спектроскопии глубоких уровней (ТНСГУ) и электронно-зондовыми - Тезисы докл. xi Всесоюзн.конф. по физике поупроводников, Кишинев, 1988, T.I. с.87-88.

2. Соболев М.М., Брунков П.И..Конников С.Г..Никитин В.Г., Степанова М.Н.,Улин В.П. .Долбая А.Ш.-.Камушадзе Т.Д.. Майсурадзе P.M. Механизм компенсации1 в многослойных структурах на основе нелегированного GaAs. выращенных из раствора-расплава Ga - ФТП. 1989, Т.23, В.6, с.1058-1065.

3. Брунков . П.Н. .Конников С.Г..Папенцев М.И.,Соболев М.М., Степанова М.Н. Бистабильные . дефекты в GaAs, выращенном методом жидкофазной эпитаксии - ФТП, 1989. Т.23, В.9, с Л689-1691.

4. Брунков П.Н..Конников С.Г..Соболев М.М. Спектроскопия глубоких уровней p-i-n-структур и плавных p-n-переходов в растровом электронном микроскопе - Тезисы докл. 6 Всесоюзн. с. ,лп. по растровой электронной микроск. Звенигород, IS89, с.112.

5. Брунков П.Н..Конников С.Г..Соболев М.М. Спектроскопия глубоких уровней p-i-n-структур к плавных p-n-переходов в р-стровом электронном микроскопе - Изв./Л СССР сер.Физ..1990, Т.54, м.?., с.264-266.

6. Андреев ТЗ.М., Алаов А.А.,Соболев М.М..Брунков П.Н., Калиновский B.C..Конников С.Г..Папенцев М.И. Исследование механизма отжига кластеров радиационных дефектов в AiGaAs-GaAs фотопреобразователях - Тезисы докл. Всесоюзн. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках, Ташкент, 1939, с.416-417.

7. Брунков П.Н.«Калиновский B.C..Конников С.Г.,Соболев М.М.,

. Сулима О.В. Исследования радиационных дефектов в фотопреобразователях на основе GaAs - Тезисы докл. Всесоюзн. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках, • Ташкент, 1989, с.428-429.

8. Brunkov P.N.,Sobolev М.М..Konnikov S.G.,Nikitin V.G.,Ste-panova M.N. Deep levels in undoped GaAs grown by LPE - Proceed. of the 1st Int. Confer, on Epitaxial crystal growth, Eudapest, Hungary, 1990, p.546-548.

9. Брунков П.К , Калиновский B.C..Конников С.Г..Соболев М.М., Сулима О.В. особенности поведения радиационных дефектов в структурах на основе AixGa1_xAs/GaAs - ФТП. 1990. Т.24. В.7. C.IS20-I322.

10. Brunkov Р.N..Sobolev H.M.,N1kitin V.G. Stoichiometry-controlled defects with deep levels in GaAs grown from GaBi-As melt - Abstracts of the 7th Int. Confer, on Vapour growth and epitaxy, 1991, Nagoya,Japan,

11. Brunkov P.N..Kalinovsky V.S.,N1kitin V.G..Sobolev M.M. Generation of the EL2 defect - in GaAs irradiated by high

^ energy protons - Semicond. Sci. Technol., 1992.

12. Брунков П.Н..Гайбуллаев С.,Конников С.Г..Никитин В.Г., Папенцев М.И..Соболев М.М. Дефекты с глубокими уровнями в GaAs, выращенном из раствора-расплава Ga-Bi - СГП, 1991, Т.25, В.2, с.338-342.

IS. Брунков II.H., Калиновский B.C., Салата О.В., Соловьев В.А., Соболев М.М., Сулима О.В., Умансккй В.Е. Особенности поведения радиационных дефектов в приборных структурах на основе GaAs.-Тез. докл. i Все с. конф. по физ. основам твЭрдотельной электроники. Ленинград. 1989. Т.В. С.263-264.