Особенности фотолюминесценцииэпитаксиальных слоев арсенида галлия при различных уровнях легирования мелкими донорами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 621,382

АНДРЕЕВ ГЕННАДИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЭПИТ АКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ЛЕГИРОВАНИЯ МЕЛКИМИ ДОНОРАМИ

01 .М .10 - физика полупроводников н диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

I

I

Москва

1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском институтг Материаловедения имени А.Ю.Малинина

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Масловский В.М.

Официальные оппоненты ~ доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Грргель В.А. - (сандидат физико-математических наук, . доцент Маслобоев Ю.П.

Ведущей оргаьиэация - НИИ особочистых материалов

Яо

часов

Задита состоится " _ 1994 г.

на заседании специализированного совета Д.053.02.02 по адресу 103498, Москва, К-1(98, Московский государственный институт электронной техники (Технический университет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ (ТУ),

Автореферат разослан 1994 года.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. физ.-ыат. наук, доцент _ • Орлов Б.М.

' <'1~ ...

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Арсенид галлия широка применяется в микрв-электренике, оптоэлектронике и технике С6Ч диапазона для изготовления многочисленных призеров, таких как свеюдиоды, инаекционнце лазеры, полевые транзисторы, генераторы Ганна, усилители СВЧ, датчики Холла, активные элементы высокоскоростных логических и цифровых схем резней степени интеграции. Возможности получения высококачественного материала для приборных применений расширились благодаря успехам эпитаксиальной технологии.

Фотолюминесценция (ФЛ) - широко используемый метод диагностики собственных и примесных дефектов, которые определяет электрические и оптические свойства GaAs. На протяжении ряда лет многие отечественные и зарубежные исследователи изучает особенности изменен«» параметров спектров ФЛ в зависимости от уровня легирования примесями с целью контролируемого получения материала с заданными свойствами. Научный и практический интерес представляет эффект концентрационного тушения люминесценции и условия достижения максимального квантового выхода излучения. Достоверно не установлено, какие фи-, эические параметры определяют тот уровень легирования, при превышении которого резко уменьшается интенсивность ФЛ.

' Форма спектральных полос ФЛ существенно изменяется в зависимости от уровня легирования примесями, однако до настоящего времени, отсутствует единая модель, адекватно объясняющая эту зависимость в широком диапазоне легирования. Не был установлен также вид аналитической зависимости полуиирины спектральных полос от концентрации свободных электронов в Sai$.

Интерпретация полос $Л 1,17-1,36 эВ при 77 К (или более низких температурах) в ваА5 птипа является дискус^онной. Например, полоса 1,36 эВ обычно связывалась с акцептором медьо, однако это не согласуется с данными масс-спектрометрии в эпитаксиаль-них слоях. Природа полос 1,17-1,36 зВ и степень компенсации ваАь является важными прикладными вопросами, которые могут быть ревены на основе анализа концентрационных зависимостей спектров

в широком диапазоне концентраций свободных электронов. Другим ; важным прикладным вопросом является оптимизация технологических . режимов газофазной зпитаксии с цельо достижения максимальной концентрации свободных электронов в слоях баА$, требующейся для формирования невплавных омических контактов.

Цель настоящей работы замечается в том, чтобы установить " основные закономерности концентрационных зависимостей параметров спектров ФЛ в слоях п-0аАз и предложить механизмы, адекватно описывавшие особенности их поведения.

0 диссертационной работе можно выделить следующие основные задачи.

- Получение новых и уточнение известных эмпирических зависимостей интегральной интенсивности, формы и энергетического положения краевой и донор-акцепторной полос от уровня легирования донорами 17 и П групп Периодической системы.

- Разработка моделей, адекветно описывающих эмпирические зависимости параметров спектров $Л от уровня легирования.

- Определение коэффициента компенсации, используя

- Идентификация состава донор-акцепторных кемплексоЕ в с леях ваАб, полученных методом газофазной зпитаксии.

Научная новизна работы.

1. Впервые установлено, что при легировании баАз хаадкм из вести мелких доно[Ьв (кремний, геряанмй, олово, сера, оелен, тел» дур) существует одна и та же критическая концентрация электронов, равная при -которой изменяется характер поведения интегральной интенсивности, полуширины и энергетического положения спектральных полос краевой $1, а также набледаотся особенности на концентрационных зависимостях спектре» инфракрасного поглсаенвя, комбинационного рассеяния к параметра кристаллической решет»*.

2. Впервые показано, что форма спектральных полос краевой люминесценции в л-СаАь при условии хвазиравновесия определяется двумя распределениями, а именно, крыло краевой полосы оо оторонн низких энергий описывается распределением Гаусса, а со стороны высоких энергия - распределением 5ермк-Днрвха.

3.' Впервые показало, что изменение энергетического пол'оаения краевой полосы §1 в зависимости от концентрации электронов определяется среднеквадратичной флуктуацией примесного потенциала, а сдвиг Бурвтейна-Носса проявляется линь при

М. С помовы> впервые обнаружен эффект-само.чоыпенсации в п.-ввА*. Мелкие доноры (Б1, (¡е, 5п. Б. йе, Те) компенсируется акцепторами - собственными точечными дефектами кристаллической резет-кн вакансиями галлия - таким образом, что при гкп£ отношение концентраций-равно м-коэффициент компенсации раЕен 0,25 независимо от вида мелкого донора.

5. Впервые предложена идентификация полос с максимумами в интервале 1,17-1,36 эВ при 77 К, которые обусловлены акцепторными комплексами на основе вакансий галли* ( ИУ^/Ь^.

- б

Практич*о»&я ценнее**'. Идентификация-полос ФЛ 1,17-1 ¡36 эВ может использоваться для контроля стехиометрии слитков и слоев 6аА$, а такхе-для анализа структурных изменения после различных воздействий на материал.

Указаны уровни легировавия донорами, позволявшие'получить максимальная внутренний квантовый виход лвминесценции в П-баАБ.

Найдены технологические-режимы газофазной элитаксмк, при которых в 6аА$ достигается максимальная концентрация свободных электронов . •'

Осно^наВ1 положена^ вииосииае иа заяитуг • •

," I» Независимо от вида мелких-доноров существует уровень легирования критическая концентрация электронов , при котором изменяется характер поведения интегральной интенсивности, полувярини и энергетического • положения краевой полосы И в заввсилост* от концентрации свободных электронов4'

2. В гИЗаА&, подуииряна спектральной полосы краевой ФЛ при п< п^ пропорциональна ~ п. ^ , а при п>пе полуширина -м^п1^.

3. Методом ФЯ установлено, что коэффициент саяоконпенсации а-СаА$ равен 0,25 Независимо от вида мелких-доноров. '

Апрйба&ияь'Результаты работы-докладывались на семинаре по проблеме "Примеси, дефекты и деградациояные явления в полупроводниковых материала* и приборах" (Ленинград; 1989),'не У конференция "Аналитические-методы • исследования' материалов■ и изделий электронной тех-' : ники"-(Черновцы, 1989), на Есесовзной-конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1985), на 18 всесоюзной конференции по физике и-технологии-тонкихполупроьодниковых пленок (Иввно-4ранковок, 1990} > На конференции "Перспективные материалы твердотельной электроники" (Минск, 1990), на ееиинерс "Фи-

зичвские пройессы в элементах интегральных схем" (Зеленоград, 1992), На международной-конференции Pall Peering of Materials Research Society (Boston, 1992), на международной1 конференции "Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных схем" (Воронеж■, 1993).'.

Публикацииt'Основные результаты-диссертации'Опубликованы в 13 печатных работах •

Структураи ■ объем работы Ч ■ Диссертация 'состоит из введения, четырех'глав с'выводами в конце каждой главы а заключения. Обейв объем диссертации * 201. страница, включая 36 рисунков, таблицы и список литературы-из 19г^амменован*й1: • • _

С0ДЕР1АШЕ Р АБОТН. .

Bq введении'обоснована актуальность темы, сформулировано цель исследования, перечислены научные■положения, выносимые на защиту. Обоснована научная новизна*и практическая-ценность работы.

Первая -Удава- посвящена описание спектров фотолюминесценции эпнтаксмальных слоев n-GaAs. Установка-для регистрации спектров $3 при 77 Ki собрана по обычной схеме синхронного-детектирования с учетом спектральнойчурвтвительноств МУ-62. 1вминеоценция возбуждается лазером 1Г-126 модностью 10 мВт на длине волны 632,В ни. 1уч фокусируется в пятио диаметром 0,2>ки о интенсивностью около 10 Вт/ см^. Глубина области фотовозбуждения'составляет 0,26 мкм, концент-

ть о

рация неравновесных дырок, по оценке, р «(2-flVI0A си .

Слои толщиной от 0,2 до 6 мкм наращивались на подложках L-GaAs(Cr,0) или n-GaAs(Te) методом газофазной апитакеии с применением металлоорганическах соединений (НОС) и гидридов. Влияние

МООЬшриДной технологии"на опе*трв #Х обсуждается в главе 4: Плоти б 9,4

ность дйслокацйй'-состьвляла. 10>-10-.О1«~ 1 Слои легировались, песпи донорньши примесями (элементы 1У и 71 группы Периодической системы) - это кремний; германийь олово! сера, селен и теллур.

Эдемен*ы1У группы'(51» Бе.ва) в соединениях типа А^У обра-' зувт дйноры путем замещения элеиентов Ш группа, .в БаАа это а' элементы.У1 группы (5. 5е, Те) образуют доноры,-замещая элемент У группы^ т.в! ^ . Наибольшее количество эпитаксиальных структур было'легировано кремнием,и оловом, так как'эти элементы имеют самый Высокий Предел растворимости в баА5, равный атом/см3. Максимальная концентрация свободных электронов составляла ■( 1-2) •

Ай'3:

Харайтерйый спектр $Л эпитаксиального слоя при любой концентрации электронов от уровня фона до предела растворимости примесей -$сегда содержит, по крайней мере, две полосы. В диапазоне концентраций электронов г1 = см"3 .энергия максимума краевой полосы при 77 К лежи* в интервале 1,5-1,6 эВ и донор-акцепторной (ДА) полосы -.в интервале'1,17-1,36 эВ. Энергии ионизации всех мелких доноров в СаАэ' Находятся в узком интервале 5,5-6,1 мэВ. Вариации интенсивности -коррелируют 1в 'плйтностью дислокаций в стекках ячеистой дислокационной структуры Ыем больше плотность дислокаций, тем меньше интенсивность).

Энергетическое положение, полуширина (полная ширина на уровне половины максимума интенсивности) и форма краевых полос как функция концентрации электронов изменяются идентично для кеждого из иести доноров во Есеи исследоЕвнном диапазоне п «10*^-10^ см-3. Относительно формы спектральной полосы красьой $1, норкнроганной на максимум интенсивности, установлено, ч-.'О с 'ростом уроЕНЯ 'лсгиро-

Еачия монотонно уменьиается наклон крыла (касательная в точке перегиба) 'со .ста'ронн низких .энергий, е накла'н са .стороны высоки* энергий остается постоянным при одной и топ ^е температуре' измерения. 4орма Спектральной .'йодрсц &ак. функция .энергии при 77 К ц различных уровнях легирования напоминает левые половинки симметричных распределений Гаусса, С ростом уровня легирования возрастает полуширина и увеличивается -энергия кагскмума краевой пэ'лоси.

Элементы ГУ группы'в баАз, вообще'говоря, могут проявлять ам-. фотерность,''т.е.' замещав ато'мЫ в обеих подр'еиетках, образовывать и дон'орц, И а^це'йторы. Акцепторные пики 'на спектрах Ш набдвдаятся йри •дег'ир.Ьв'анни .кремнием или'германием аре ениДа таллия, полученного методом Чохральского или жидкофазной эпитаксии, однако в слоях 1 СаАъ'(1У), полученных .'методом МОС-гидридно'я эпитаксии, никаких связанных с амфотерностью пиков не наблюдалось.

' Энергия максимума ДА полосы, в отличие от краевой полосы, за-висЛ"как от гида донора, так и 'от технологических условий получения слоев. В случае 'легирования элементами 1У группы (51, Се. 5а) " энергия максимума ДА 'полосы расположена в интервале I,¿1-1.36 эВ,. причем базисными энергиями является 1,с5 и 1,36 эВ. Здесь термином "базисные" отмечены энергии двух бесфононных полос гауссовой формы, \ обладающий тем свойством,' что путем Яаривции интенсивности этих двух бесфононных полос и их фешонных повторений по принципу суперпозиции мо*но подучить форму любой ДА полосы,

В случае 'лЬгироваМ1Я халькогена^и (5, Бе, Те)' базисные энергии . равны.1»2Ы,'22.и,|1,32з^,3? эВ; *оторЖ!.на¡30-40 «эВ меньше, чем при легировании элементами ГУ группы. В 'монокристаллах СаАб(Те) "Полоса 1,17-1,18 эВ, а которой часто упоминается в литературе, является, по-видимому, фононным повторением'базисной полосы 1,21-1,22

эВ. Форму лвбой ДА полосы можно получить используя принцип суперпозиции. Изложенные результаты указывает на общность происхождения всех полос в интервале 1,17-1,36 эВ.

В конце-.главы сформулированы выводи по описании спектров ФА.

Во второй главе анализируется интенсивность и форма спектральных полос в зависимости от концентрации электронов. Относительная интегральная интенсивность измерялась для толстых слоев с учетом площади спектральных полос при условии постоянства концентрации дырок р «сог^. Последнее условие обеспечивается постоянством , не только уровня фотовозбуждения, но и плотности дислокаций. Дело в том, что при низких уровнях фотовозбуждения и легирования безыэ-лучательный процесс стока дырок к поверхности и на дислокации доминирует над излучательным процессом.

Интегральная интенсивность в зависимости от концентрации электронов увеличивается линейно примерно до критической концентрации, а затем уменьшается экспоненциально (рис.1). Зависимость I от п. имеет общий характер поведения для всех использованных в настоящей работе мелких доноров (бь* бе, 5п, 5. ¿е, Те). Концентрационное тушение ломинесценции (КТЛ) в случае краевой полосы про-

то п

исходит после критической концентрации электронов ае*2>10* см ,

которая не зависит от температуры измерения и вида мелких дота

норов. В случае ДА полосы КТЛ наблюдается после (4-6)«Ю1 см""-Эффект КТЛ для обеих полос ФЛ свидетельствует в пользу того, что люминесценция не связана со свободными электронами.

В полупроводнике П--типа проводимости скорость излучательного процесса (число оптических переходов в единице об"ема в единицу времени) обусловлена некомпенсированными донорами (концентрация

I, отн.ед.

Концентрация свободных электронов М , см"^ Рис Л - Концентрационные зависимости интегральных интенсивнэс-тей краевой (I) и ДА полосы 1,36 эВ (2) при 77 К и низком уровне возбуждения ФЛ в эпитаксиальных слоях 5аАь(5п). Сплошные линии - . по выр.(З).

П^-Нд'П-) для краевой ФЛ и компенсированными донорами (концентрация R.) для ФЛ ДА пар, следовательно, при n<rle

R*-B*<HaA>p

где индексы начального и конечных V) электронных со-

стояний относятся к донорем, акцепторам и валентной зоне, соот-

ветственно. Коэффициент - скорости Б^ зависит от энергии -перехода Е^ =Е.а интегральная интенсивность пропорциональна скорости люминесценции Неизолированные мелкие доноры в ваЛь образуют водородоподобные электронные состояния, при этом оптический,¿у-переход (экситон' на доноре ИХ) имеет энергии Е^ (1,503 эВ при 77 К). Энергия 15 состояний при сближении доноров расцепляется в примесную зону согласно классическому расчету Бальтенспергера. Плотности состоят ний примесной зоны аппроксимируется распределением Гаусса с центром Квазиуровень Ферми, по определении отделяющий при Т^О свободные от заполненных состояний доноров (кратность квантовоме-ханического вырождения ^=2 с учетом спина электрона), располагается при энергии Ро'Ерх Е середине примесной зоны.

Экспериментальная полуширина V/ краевой полосы ФЛ определяется параметром 6 распределения Гаусса, который принимался равным где Кп= [ЗЛ^Г^-Р^)]^3 - среднее расстояние между некомпенсированными допорет!. Расчитэнная с помощью Е> полуширина показана спловной линией при П--<пс на рис. 2 и согласуется с экспериментальными значениями. Однако при п.>пг значения лучше укла-

¿Л

дывйются на зависимость , которая характерна для эффекта

¿л

Бурштейна-Мосса (энергия Ферми На рис.2 также изобра-

жены полуширина по модели рекомбинации свободных носителей = 1,8 кТ (12 мзВ при 77 К) и полуширина в предположении где

среднеквадратичная флуктуация примесного потенциала ровна

Я1^ - радиус экранирования 1омаса-Ферми, О,« 100 X - боровский радиус мелкого донора.

w. мзВ

Рис.2.. Концентрационная зависимость полуширины краевой полосы ФЛ при 77 К, а также полуширины по ван Русбреку-Шокли и величины У при коэффициенте компенсации К=0,25 по вир.(21.

В главе 2 показано, что форма спектральной полосы краевой описывается двумя распределениями. Крыло со стороны низких энергии фотонов определяется распределением Гаусса для плотности состояний примесной зоны, а крыло со стороны высоких энергий - распределением $ерми-Дарака а л я оптических электронов, аполнявших com пения примесной зоны.

Глава завершается выводами о характере поведения концентрационных зависимостей переметров люминесценции.

В_т£еi главе продолкеется анализ концентранионных злвиьи моотей, нпчетый в прглчлуией глаге. Эффект КТЛ нельзя оС">?сяигь ни ойрслогадиен щ.спинитчтов, ни Оже-процесеом. Дейстикьдьис., »¿л.

--

ципитаты новой фазы образуется только после достижения предела растворимости отдельного донора Я^, а экспериментально Н0<< НПр. Кроме того, действуя как безызлучательные стоки, преципитаты должны уменьшать интенсивность обеих полос $1 при одной и той же концентрации электронов, что противоречит эксперименту. Скорость без-" излучательного Оже-процесса {&<{Ь«Са*р) должна быть пропорциональна квадрату концентрации электронов, а это не соответствует экспоненциальной зависимости уменьвения интенсивности на рис.1.

Во всей области существования люминесценции интегральная интенсивность краевой полосы адекватно описывается функцией

где 1с*1(|г6). Аналогичная зависимость выполняется для ДА полосы. Выр.(Э) соответствует функции Пуассона Для дискретной случайной величины, принимающей значение 1. Это означает, что вклад в люминесценции дают только одиночные доноры (ДА пары), когда только один донор (ДА пара) находится в сфере фиксированного (критического) радиуса К0. Установлено, что таким критическим радиусом является радиус экранирования г& при п»пе, равный среднему расстояние между донорами ^»(ЗЛиН^1'3 при Н^Н,,. Критический радиус сферы при коэффициенте компенсации К»0,25 для мелких доноров в ваАз равен Кс«45 1.

Выше критического уровня легирования донорами (Н^> Яс) кванты электронного возбуждения без изменения энергии (резонансно, безыз-лучательно) переносятся между донорами (механизм Фёрстера-Дексте-ра). В результате электронное возбуждение мигрирует по кристаллической решетке и релаксирует на безызлучательных стоках (поверхности дефектах с глубокими уровнями, дислокациях).

Отношение интегральных интенсивностей, равное =3,7 -

0,5 при П<ПС (рис.1), позволяет найти коэффициент компенсации, учитывая энергии максимумов =1,503-1,519 эВ и .З&^О.ОЗ эВ. Коэффициент Эйнштейна, равный приведенной вероятности одного -перехода кц=1/Хц для спонтанного излучения между начальным I и конечным { состояниями квантовой системы, определяется выражением

где - время жизни возбужденного состояния: Величина дипольного матричного элемента в выр.(4) от концентрации примесей не зависит. Квадрат модуля матричного элемента обратно пропорционален энергии фотона , и приведенная вероятность

Скорость оптического процесса равна *кц , где Пц —число

-переходов в единице об"ега, которое не зависит от энергии фотона, поэтому и В^'^ Е.* . Отношение коэффициентов скорости равно В^/В^ =а(1,51/1,3б)4е1,23. Используя (I) найдено, что (Я^-ЯдУЯц, « 3,0 при а<пс) и коэффициент компенсации К=Нв/14^ равен 0,25 ± 0,03.

При критическом уровне легирования донорами выполня-

ется условие й = Г5, где Я^ - среднее расстояние между донорами, равное отсода ^£г'пс=1. При К=0,25 получается а =1,96-Ю18

о ТО Я О ^

см"-', Пс=2,7'101° см , «'»5 А. Расчитанная концентрация

электронов совпадает с экспериментальной для К1Л краевой полоок.

Концентрация ДА пар б три раза меньше, чем концентрация элемг-

ронов (а=ЗЯв при К=0,25), поэтому ДА полоса тушится после коптя

центрации электронов 5,9>10 см , что также согласуется с экспериментом. Максимальный внутренний квантовый выход лпминеечен-

то т

ции достигается для краевой полосы при ас»2-101 см , в лля

ДА полосы .при .. /EMIQ1® cu"3.''

Энергетическое -положение -краевой 'полосы определяется.концентрационной зависимостью.квазиуровня-Ферци.<Вй флуктуацианиых потенциальных яаах о высотой-отеноцм^ и типичным• размером-fs электроны* и легкие .дырки-не имеют-энергетических..уровней*-а уровни тяжелых .. дьрэк:находято»- -вблизи"1 потолка^евазмуценной-валентной- зоны. Благодаря квантованию'Вбя.примесная-зона поднимается на величину и квазиуровень iepMHt отсчитываемый от потолка валентной-зона;'равен I ■ •'

F J , (5) ,

. ''{Ьц+Х+р-рс »с

l'ki/Zmi)ni/s - энергия-Ферми*'Д =jsi (п,с). Сдвиг-Бур*-штеЕнаЧ^осса проявляется. Мгда'/ -когда ■ легирование -донорами Црева-шае-{" критический-уровень«- >

ДА полоса в GaAs<Sn>. связанная о парами. Bg^V^ , во всем диапазоне п* !см~3 и>1еет>одну и*ту же энергию.максимума-

1,30,9^ прк .77 Ц,'ИспФЛьзу'я(Извевтное «выражение-для>ДА лйминесцеи*-ции, энергию ионизации вакансий галлия Еа=0,ЗэВ, Ed=6'I0~3 эВ,

получено ¡расстояние>7межДу-донором и акцептором, В решетке CaAs'ino геометрическим-соображениям) расстояние-между • соотвё^»вуЗД»ши'узлейи'гаЛлив,составляёт б,92'Д'>,и^Ае зависит от ' уровня легиревания-донорами '17 группы;'Полоса-1*Эб;эВ'не может- ' быть • связана - а ■ любым ■ одиночным 'акцептором, • в* том числе, медью Си^.

При. легировании-халькогенами полоса 1,32-Г,5У эВ при 77 К,-обусловлена парами D^V^ с расотоййием 9,27 А*между донором-и акцепторам; -которое -не звЕиеит-от уровня,легирования» При; легировании GaAs донорами вакансия галли*г образуется на кратчайшем расстоянии от донора таким образомi чтб угол между направлением семейства

|ш| и отрезком не превышает 2СР. Рлагодаря тетраэдричеокой

симметрии решетки, отношение концентраций вакансий галлия и доноров равно Яа:Я(1=1:'1.

Межузельные атомы мышьяка, подвижные при температурах более 200 К, могут присоединяться к неподвнжным парам ВУ^ и образовывать комплексы ОУ^А^^. Эти трехцентровые комплекса ведут себя как акцепторы, имеющие энергию ионизации меньие и энергию максимума ФЛ меньше, чем ЛА пары. При легировании донорами 1У группы трехцентровые комплексы ответственны за базисную полосу 1,25 эВ, а при легировании хелькогенами - за базисную полЬсу 1,21-1,22 эВ (ее фо~ нонное повторение 1,17-1,18 эВ). Таким образом, происхождение полос ФЛ при 77 К с энергиями максимумов 1,17-1,36 эВ связано с вакансиями галлия.

В конце третьей главы сделаны выводы об особенностях концентрационных зависимостей параметров ФЛ.

Четвертая глава посвяаена применения метода Н для контроля

технологических процессов МОС-гнприцной эпнтаксии. По спектрам

обнаружено, что основной фоновой примесью р-типа в нелегированных

-р те;

слоях с концентрацией электронов 10-10 см является цинк с концентрацией порядка 10 см'"''. Источником цинка являются галлие-вне метеллоорганические соединения. Углеродные загрязнения в слоях отсутствуют- 'Источником принесен п-типа (серп, германий, кремний"* является арсин. АбП^ .

Легирование кремнием из моносиланв при температурах под-дояказсргетсля 600-650 °С о примечанием триметил галлия приводи! к образование э сия..-, Н пар Уб , а применение эфирата трмсгиа галлия приводят к образованию в слоях трехпентровнх комплексов

Легирование оловом из тетрахлорида олова при температурах подложкодержателя ниже температуры конгруэнтной сублимации ваАБ, равной Тад*5? 590 вС. приводит к образовании в слоях комплексов Чэп^^АЬу а при температурах эпитаксии выве Ткс образуется паР" ЧЯ,-

Энергия ионизации двухцентровых комплексов (акцепторов) больше, чем энергия ионизации трехцентровых комплексов (акцепторов). Такая разница энергиВ ионизации существенна для работы приборов, основанных на переносе неосновных носителей в лЧЗаАь. Методом масс-спектрометрии вторичных ионов установлено отсутствие примесей меди и марганца как в нелегированных, так и в легированных слоях, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении.

С целью достижения предельно высокой концентрации свободных электронов исследовались слои ваАз^эп), наращенные в диапазоне температур подложкодержатехя 550-680 °С. Температурная зависимость концентрации свободных электронов в легированных оловом слоях имеет максимум см"3 вблизи температуры конгруэнтной сублимации баАэ. Оптимизация осуществлена путем понижения мольного отношения компонент У и В групп в газовой фазе.

Насыщение концентрации доноров на уровне предела растворимое-

ОЛ в

ти НПр«Ы0 атом/см происходит при температурах выве Ткс, а уменьшение концентрации свободных электронов в этом же температурном интервале связано с генерацией дополнительных вакансий галлия. Таким образом, максимально достижимая концентрация свободных электронов в баАа лимитируется содержанием не только доноров, но и компенсирующих вакансий галлия.

Четвертая глава оканчивается выводами о влиянии технологических условий ИОС-гидридной эпитаксии на параметры спектров ФЛ.

ОСНОВНЫЕ выводы

1. В 5аА5<$> независимо от вида мелких доноров при концентрации электронов 10*® см"^ изменяется характер поведения зависимостей интегральной интенсивности, полувирины и энергетического положения краевой полосы ФЯ, а также спектров инфракрасного поглощения, комбинационного рассеяния и параметра кристаллической решетки от концентрации свободных электронов.

2. Максимальный внутренний квантовый выход люминесценции при квазиравновесных условиях ФЛ в баАз(1>) достигается при концентрами электронов 2»см~^ для краевой полосы, а для донор-акцепторных полос - при (4-6)-10*® см"^.

3. Концентрационное тушение люминесценции связано с безызлу-чательным резонансным переносом энергии электронного возбуждения между донорами (ДА парами). Миграция возбуждения осуществляется при условии, что в сфере критического радиуса (Кс=^5 X) находится более одного донора (ДА пары).

. Форма спектральных полос краевой люминесценции со стороны низких энергий фотонов определяется распределением Гаусса, а со стороны высоких энергий - распределением Ферми-Дирака.

5. Полуширина краевой полосы обусловлена расщеплением энергетических уровней примесной зоны. Полуширина пропорциональна

я^ при а<и£ и при (1>пс.

6. Изменение энергетического положения краевой полосы в зависимости от уровня легирования донорвми определяется среднеквадратичной флуктуацией примесного потенциала, причем сдвиг Бурш-тейна-Мосса наблвлпмся только после легирования ете. критическо го уровня.

- го -

7. В растущем GaAb при введении элементов 1У и У1 групп Периодической системы происходит самокомпенсация мелких доноров вакансиями галлия, при этом характерное отношение концентраций акцепторов и доноров равно I:*t независимо от вида мелких доноров *

S. Расстояние Dg^V^ между донором 1У группы и вакансией гад »

лия равно 6,92 А (полоса $J ~1,Э6 эВ), а в случае легирования халькогенами расстояние ty^f^ равно 9,27 X (полоса ~1,33 эВ). Оба расстояния не зависят от уровня легирования.

9. Подвижные атомы ыеждоузельного мышьяка и неподвижные ДА пары DV^ образует трехцентровые комплексы D^ASj . У которых меньше энергия максимума и энергия ионизации, чем у пар DV^. Происхождение полос #1 в интервале фотонов 1,17-1,36 эВ при 77 К связано с вакансиями галлия.

10. Максимальная концентрация свободных электронов, равная (1-2)«10*® см"3, достигается при температурах МОС-гидридной эпи-таксии вблизи температуры конгруэнтной сублимации арсенида галлия . ,

ПУБЛИКАЦИИ ПО ОСНОВНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Андреев Г.В., Волков A.C. Фотолвминесценция легированных оловом зпитаксиальных слоев арсенида галлия // Шестое всесоюзное совещание по исследованию арсенида галлия. Сб. трудов. T.I.

С.89-90. - Томск.1987.

2. Андреев Г.В., Крупышев P.C., Маркова Т.И., Родионов A.B., Тарабрин A.A. Влияние дефектов на перераспределение Cr в полу-

и зо лиру щей подложке GaAs при эпитаксиальном наращивании // Шестое всесоюзное совещание по исследовании арсенида галлия. Сб. трудов. T.I. C.9I-92. - Томск, 1987.

■ 3. Андреев Г.В., Масловский В.М., Минаждинов М.С. Максимальная концентрация свободных электронов при гомоэпитаксии арсенида галлия // I Есесовзная конференция по физическим основам твердотельной электроники. Тез. докл. Т.В. С.2^9. - Ленинград, 1989.

Андреев Г.В., Масловский В.М. Изменение фотолюминесценции GaAs при легировании донорными примесями // Ш всесоозная конференция по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок. Тезисы. 4.II. С.240. - Ивано-Франковск,' 1990.

5. Андреев Г.В. Эффект концентрационного гашения люминесценции в арсениде галлия при легировании мелкими донорными примесями // Перспективные материалы твердотельной электроники. Тезисы научно-технической конференции. 4.1. С.50. - Минск, 1990.

6. Andreyev G.V., MasfovsKy V.M. Self-compensator! of donors in. GqAs ^ MOCVD / Mab-iafe fesearcfi Sotleiy Symposium Proceedings. 1933. VoI. ZU. P.43-47.

V. Прокопьев Е.П., Кузнецов Ю.Н., Бычков Ю.А., Кочина Э.А., Андреев Г.Ё. Определение профиля концентрации примесей по данным вольт-фарадного метода // Электронная техника. Сер. Материалы. 1973. Вып.5. ДЭП № 13-761. С.120.

В. Батавин В.В., Попова Г.В;, Травлеев Г.Н., Анареев Г.В., Кузнецов Ю.Н. К вопросу о применении ртутного вонда для измерения концентрации носителей тока в полупроводниках методом вольт-фарад-ных характеристик барьера Иоттки // Электронная техника. Сер. Материалы. 1976. Вып.1. C.XII-II6.

9. Андреев Г.Б., Масловский Б.М. Формирование энергетической зоны в арсениде галлия при легировании мелкими'донорами // Электронная техника. Сер.i. Материалы. 1991. Bun. I (225). С.22-26.

10. Андреев Г-В., Масловский В.М. Гашение краевой люминесценции в арсениде галлия при легировании донориыми примесями // Электронная техника. Сер.З. Микроэлектроника. 1991. Вып.2 (141). С.20-25.

И. Андреев Г.В. Самокомпенсация арсенида галлия в процесс« легирования донорными примесями // Электронная техника. Сер. 3. Ми;:роглекгрсника. 1991. Вып.6 (115). С.39-42.

12. Андреев Г.В. Эффект концентрационного гашения люминесценции при легировании арсенида галлия донорами 1У и У1 групп // Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1991. Вып.8 (262), С.45-50.

13. .Андреев Г.В., Масловский В.М. Структура акцепторного комплекоа, ответственного за полосу ФЛ 1,36 эВ в a-GaAs / Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных схем. Тез. докл. междунар. научно-техн. конференции. С.23-24. - Воронеж, 1993.

Заказ '

Тира?, ш щт. Объем 1,0 уч,изд.л. Бесплатно

Отп. Тг.погопфия МП1ЭТ