Излучательная рекомбинация дырок на уровнях размерного квантования в дельта- ρ-легированном арсениде галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На правах рукописи

Гилинский Александр Михайлович

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ ДЫРОК НА УРОВНЯХ РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ В ДЕЛЬТА-р-ЛЕГИРОВАННОМ АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ

01.04.10 -физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени /[дата физико-математических наук

Научный руководитель: к.ф.-м.н. К.С. Журавлев

Новосибирск - 1999

- 2 -

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЖФЭ - жидкофазная эпитаксия

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

ФЛ - фотолюминесценция

Ьй) - энергия фотона люминесценции

ЬЩпах - энергия максимума полосы люминесценции

1фд - интенсивность фотолюминесценции

ХехС - интенсивность возбуждения

// - подвижность носителей заряда

п - концентрация электронов

Ик - концентрация дырок

N0 - концентрация мелких доноров

NА- концентрация мелких акцепторов .

№в - концентрация нейтральных доноров

№л - концентрация нейтральных акцепторов

Т - температура измерения (образца)

Те - температура электронного газа

Т3 - температура подложки при выращивании структуры.

кв - постоянная Больцмана

ОПЗ - область пространственного заряда

- 3 -ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................. 5

ГЛАВА 1. Дельта-легирование полупроводников и рекомбинация в дельта-легированных структурах......... 12

§ 1.1. Методы дельта-легирования и размерное

квантование носителей...................... 12

§ 1.2. Рекомбинация носителей заряда в дельта-

легированных структурах.................... 19

ГЛАВА 2. Методические вопросы исследования........... 23

§ 2.1. Методики получения исследуемых образцов .... 23 § 2.2. Методика регистрации стационарной фотолюминесценции ................................ 2 9

§ 2.3. Регистрация кинетики и эволюции спектра нестационарной фотолюминесценции со временем ...................................... 3 3

ГЛАВА 3. Исследование фотолюминесценции

8-р-легированного баАэ.......................... 4 0

§ 3.1. Экспериментальное обнаружение люминесценции размерно-квантованных дырок в

Б-р-легированном СаАв................................40

§ 3.2. Исследование зависимости фотолюминесценции дырок в 5-слое от интенсивности возбуждения и температуры..................... 5 7

§ 3.3. Кинетика и поляризация фотолюминесценции

8-слоя.....................................

§ 3.4. Механизм излучательной рекомбинации фотоэлектронов с размерно-квантованными дырками в потенциальной яме 5-слоя............ 8 0

ГЛАВА 4. Исследование кинетики нестационарной фотолюминесценции СаАэ.................................. 89

§ 4.1. Эффект длительного затухания нестационарной фотолюминесценции мелких акцепторов в СаАэ. Сравнение с кинетикой фотолюминесценции 5-р-легированного СаАв........... 9 0

§ 4.2. Механизм рекомбинации, обуславливающий длительное затухание фотолюминесценции

мелких акцепторов в СаАэ................... 107

§ 4.3. Метод «задержанной ФЛ» для исследования состава мелких акцепторов в СаАэ и примеры его применения........................ 141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................ 154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................... 15 7

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

Развитие в последние годы технологии выращивания многослойных полупроводниковых структур с • толщинами слоев вплоть до моноатомных привело к появлению квантоворазмерных структур - квантовых ям и сверхрешеток, а в последнее время также и квантовых проволок и квантовых точек, отличающихся от традиционных «объемных» материалов искусственной локализацией носителей заряда на размерах, меньших длины волны носителей, и обладающих благодаря этому транспортными и рекомбинационными параметрами, значительно отличающимися от параметров объемных полупроводников. Значительное превосходство в целом ряде случаев характеристик приборов на основе квантоворазмерных структур привело к тому, что в настоящее время они уже широко применяются на практике при создании биполярных и полевых транзисторов и полупроводниковых источников, модуляторов и приемников излучения [1, 2] . Принципиальное отличие характеристик системы носителей заряда в квантоворазмерных структурах от их свойств в объемных материалах и значительные перспективы их применения на практике, очевидно на исчерпывающиеся уже реализованными приборами, обуславливают большой интерес к свойствам структур пониженной размерности. При этом основное внимание при исследовании свойств и разработке приборов уделялось структурам с композиционным принципом формирования потенциальной ямы для носителей заряда, представляющим собой последовательность слоев определенной толщины с различной шириной запрещенной зоны.

Кроме композиционного, используется также другой способ создания потенциальной ямы, приводящей к квантованию движения

носителей заряда - планарное, или 5-легирование [3], состоящее в формировании при росте структуры слоя примесей толщиной менее боровского радиуса соответствующих носителей и концентрацией

выше порога вырождения носителей на примесях, и приводящее к созданию «самосогласованной» системы ионизованных примесных атомов и квантованных носителей. Принципиальные отличия структур с 8-легированным слоем от композиционных состоят в наличии системы вырожденных свободных носителей и монополярности потенциальной ямы, квантующей движение носителей одного знака и отталкивающей носители другого. Вследствие этого транспортные и рекомбинационные свойства носителей в 8-легированном материале значительно отличаются от свойств носителей в композиционных структурах. Так, было показано, что носители в потенциальной яме 8-слоя при высоких значениях слоевой концентрации обладают подвижностью большей, чем при однородном легировании, что в частности позволило использовать такие структуры для создания мощных высокочастотных полевых транзисторов. Значительно менее изучены рекомбинационные свойства системы носителей, создаваемой при 8-легировании. К моменту начала данной работы в литературе имелись сообщения об исследовании рекомбинации носителей заряда в образцах 8-п-легированного СаАэ методом фотолюминесценции (ФЛ) . Было показано, что электронная система 8-п-легированного слоя практически не проявляется в спектрах ФЛ [ 4 ], что связывалось с отталкивающим действием потенциала 8-слоя для неосновных носителей и, как следствие, близкой к нулю вероятностью рекомбинации с участием электронов, локализованных в потенциальной яме. Осталось неясным, однако, является ли рекомбинация размерно-квантованных носителей в 8-яме принципиально невозможной. Вместе с тем, не была исследована комплементарная система носителей - дырки в 8-р-легированном материале.

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование рекомбинационных свойств системы носителей, формируемой при 8-р- легировании арсенида галлия, методом ФЛ. Для

достижения этой цели при выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать фотолюминесценцию 8-р-легированных структур и изучить ее зависимости от параметров 8-слоя, интенсивности возбуждения и температуры, а также поляризационные характеристики излучения.

2. Исследовать кинетические характеристики нестационарной ФЛ 8-р-легированного СаАэ для выяснения механизма наблюдаемых переходов .

3. Для решения задачи п.2 и проведения сравнительного исследования нестационарной ФЛ объемного материала разработать методику регистрации кривых затухания нестационарной ФЛ и спектров ФЛ со временным разрешением, обеспечивающую разделение прямых и непрямых в пространстве излучательных переходов по их кинетическим характеристикам и изучение эволюции спектра нестационарной ФЛ со временем после возбуждения.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Первая глава является обзорной. В ней рассматриваются литературные данные по способам создания 8-образного профиля концентрации легирующей примеси, характеристики системы носителей заряда, формируемой в 8-слое, и использование 8-легирования при разработке новых приборных структур. Приводятся данные по излучатель ной рекомбинации в 8-легированном СаАэ с одиночными 8-

слоями и сверхрешетками 8-слоев.

Во второй главе описаны условия получения исследованных в

работе образцов 8-легированных структур, а также структур, не

содержащих 8-слоев, использованных при проведении сравнения результатов. Здесь же описаны экспериментальные установки, ис-

пользованные для регистрации спектров стационарной и нестационарной ФЛ и кинетики ФЛ.

Третья глава посвящена результатам исследования ФЛ 6-р-легированного СаАэ. В главе сообщается об экспериментальном обнаружении излучательной рекомбинация дырок, размерно-квантованных в потенциальной яме 5-слоя. Исследованы зависимости ФЛ размерно-квантованных дырок от концентрации носителей в дырочном газе, степени искусственного уширения 8-слоя, температуры образца и интенсивности возбуждения, кинетика и поляризация ФЛ. Предложена модель процесса рекомбинации носителей в 8-легированных структурах.

В четвертой главе приводятся результаты изучения вклада

процессов захвата и транспорта носителей в С а Аэ -обкладках 8-слоя в формирование наблюдаемого длительного затухания ФЛ. Сообщается об экспериментальном обнаружении длительного затухания низкотемпературной нестационарной ФЛ мелких акцепторов в нелегированном и слаболегированном СаАв, рассмотрены зависимости этого эффекта от уровня легирования материала и способа его получения и температуры. Разработана модель процесса рекомбинации, объясняющая наблюдаемый степенной закон затухания ФЛ свободных электронов. Предложена новая методика спектроскопии мелких акцепторов в СаАэ и близких соединениях, обеспечивающая значительное улучшение разделения линий в спектре ФЛ по сравнению со стандартными способами измерения и простоту определения природы линий.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы и указан личный вклад автора.

На-защиту выносятся следующие результаты:

1. Экспериментальное обнаружение излучательной рекомбинации системы размерно-квантованных носителей в 8-р-легированном СаАэ и результаты исследования зависимостей ФЛ дырочной системы от уровня легирования 8-слоя и степени его искусственного уширения, интенсивности возбуждения и температуры.

2. Результаты экспериментального исследования кинетики нестационарной ФЛ и модель процесса излучательной рекомбинации размерно-квантованных дырок в 8-р-легированном баАэ.

3. Экспериментальное обнаружение длительного затухания нестационарной низкотемпературной ФЛ мелких акцепторов в слаболегированном баАэ и твердых растворах, результаты исследования этого эффекта в материале с различным уровнем легирования, полученным различными методами выращивания, и модель механизма рекомбинации, обуславливающего длительное затухание ФЛ.

4. Новый метод фотолюминесцентной спектроскопии мелких акцепторов в СаАэ и близких' соединениях, основанный на анализе эволюции спектра нестационарной ФЛ со временем после возбуждения, обеспечивающий значительно лучшее разделение линий в многокомпонентных спектрах ФЛ по сравнению со стандартными способами измерения и простоту идентификации линий и определения их природы.

Новизна полученных результатов. Все основные результаты и выводы работы получены впервые. Впервые наблюдалось и исследовано рекомбинационное излучение дьрок, размерно-квантованных потенциалом 8-слоя в 8-р-легированном СаАэ; показано, что при этом рекомбинирующие носители пространственно разделены, и предложена модель механизма рекомбинации, объясняющая наблюдаемые в эксперименте зависимости. Впервые обнаружено длительное затухание нестационарной ФЛ мелких акцепторов в СаАэ. Показано,

что независимо от типа проводимости материала и уровня его легирования мелкими примесями в диапазоне ЫА, Ы0 < 1016 см"3 затухание ФЛ происходит по существенно неэкспоненциальному закону, близкому к степенному, и контролируется захватом на мелкие доноры. На основе этого эффекта предложена новая люминесцентная методика спектроскопии мелких акцепторов в СаАэ и близких соединениях, обеспечивающая значительно лучшее разделение линий в спектре по сравнению со стандартными способами измерения и простоту определения природы линий.

Практическая важность результатов работы состоит в разработке методики люминесцентной спектроскопии мелких акцепторов в СаАэ и близких соединениях, обеспечивающей значительное улучшение разделения линий в спектрах акцепторной ФЛ по сравнению со стандартными методами измерения и простоту определения природы линий в спектре. Методика основывается ' на наблюдении эволюции спектров ФЛ, регистрируемых с временным разрешением в микросекундном диапазоне, в функции времени задержки после импульса возбуждения, и может применяться для исследования материала с уровнем легирования ЫА, < 1016 см""3, полученному в широком диапазоне условий выращивания. Благодаря,значительному сужению линий в задержанных спектрах ФЛ предложенная методика позволяет наблюдать акцепторы, присутствующие в исследуемом образце в количествах, значительно (до 10 раз) меньших по сравнению с доминирующими .

Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на 1-ой Всесоюзной конференции «Физические основы твердотельной электроники» (Ленинград, 1989), ХХ-ой конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, 1990), ХИ-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990), 1-й Международной конференции по физике низкоразмерных структур (Черноголовка, 1993), Международной конференции по методам ха-

рактеризации полупроводников (Гейзесбург, США, 1995), 1-й, 2-й и 3-й Российских конференциях по физике полупроводников, (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), 16-й Общей конференции отделения твердого тела Европейского физического общества (Лювен, Бельгия, 1997), а также докладывались и обсуждались на семинарах Института физики полупроводников СО РАН.

Публикации. По результатам, полученным в данной работе, опубликовано 16 печатных работ [5-20].

ГЛАВА 1. Дельта-легирование полупроводников и рекомбинация в дельта-легированных структурах.

В этой главе приводится обзор литературных данных по дельта-легированию полупроводниковых структур. В первом параграфе

главы рассматриваются способы создания 8-образного профиля концентрации легирующей примеси, характеристики системы носителей заряда, формируемой в 5-слое, и использование 8-легирования при разработке новых приборных структур. Во втором параграфе приводятся данные по излучательной рекомбинации носителей заряда в

8-легированных структурах с одиночными 8-слоями и сверхрешетками 8-слоев. Поскольку, как уже упоминалось во Введении, исследование рекомбинации носителей в 8-легированных структурах ко времени начала нашей работы только началось, а основная часть работ была проведена позже, для соблюдения полноты изложения существенных результатов здесь не будет проводиться отбор излагаемых данных по времени их появления.

§ 1.1. Методы дельта - лехмров ания и размерное квантование носителей.

Легирование полупроводников в виде тонких слоев сильнолегированного материала либо, в предельном случае, слоя примесных

атомов, располагающихся в одной атомной плоскости («8-легирование»), стало возможным после наблюдения быстрого встраивания легирующей примеси на ростовой поверхности в СаАэ при остановленном росте основного материала, проводимом методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). На основе этого наблюдения в работе [21] было указано на возможность реализации произвольного профиля легирующей примеси при использовании метода

«приостановленного роста» (suspended growth), или легировании при остановке роста основного материала, и отмечено, что использование такого режима позволяет раздельно оптимизировать условия роста (в частности, соотношение потоков элементов при МЛЭ) для легируемого и легирующего слоев и может обеспечить оптимизацию встраивания и увеличение степени активации примеси. При проведении легирования примесью, дающей мелкие уровни, в виде слоя малой толщины - менее длины волны свободных носителей заряда - и достаточно высоком уровнем легирования (выше порога вырождения) в полупроводнике формируется система носителей нового типа [3, 22, 23], не наблюдаемая при однородном легировании полупроводников или в структурах с «традиционными» квантовыми ямами, синтезируемыми из слоев материалов с различной шириной запрещенной зоны. Как и в трехмерном случае, благодаря взаимодействию носителей на уровнях близкорасположенных примесных атомов в легированном слое вырождение уровней снимается, уровни выталкиваются в разрешенную зону, а движение носителей в направлении поперек слоя квантуется потенциалом плоскости ионов; при этом в свою очередь сво