Примесные состояния меди в фосфиде индия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

ГЛАВА 1. ПРИМЕСНЫЕ УРОВНИ, СОЗДАВАЕМЫЕ МЕДЬЮ, В ФОСФИДЕ ИНДИЯ И ДРУГИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

СОЕДИНЕНИЯХ А3В5.

1.1. Энергетический спектр уровней меди в 1пР.

1.2. Влияние меди на электрические и оптические свойства 1пР.

1.3. Примесные состояния меди в других полупроводниках

А3В5.

1.4. Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Методика подготовки и получения образцов 1пР:Си.

2.2. Методика измерения эффекта Холла.

2.3. Методика измерения спектров фотопроводимости и электролюминесценции.

2.4. Оценка погрешностей измерений.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ФОСФИДА ИНДИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО

МЕДЬЮ.

3.1. Электрофизические свойства 1пР:Си.

3.2. Примесная фотопроводимость 1пР:Си.

3.3. Собственная фотопроводимость 1пР:Си.

3.4. Одновременное воздействие двух световых потоков на

1пР:Си.

3.5. Модель амфотерного центра меди в фосфиде индия.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ InP:Cu.

4.1. Расчёт параметров модели центра меди в InP:Cu.

4.2. Моделирование электрофизических параметров InP:Cu при различных условиях легирования.

ВЫВОДЫ

Актуальность темы. В связи с развитием твердотельной оптоэлектрони-ки и инфракрасной техники, значительно усилился интерес к оптическим и электрофизическим свойствам полупроводников, определяемым, как правило, присутствием примесей, создающих глубокие уровни в полупроводниковой матрице.

Среди примесей, создающих глубокие уровни в запрещённой зоне со

•5 с единений А В , особое место занимают элементы переходной группы железа. Особенность их поведения в соединениях А3В5 заключается в том, что электроны внутренней Зё-оболочки могут вступить в химическую связь. При этом в Зё-оболочке образуются дырки, которые могут переходить в валентную зону при оптическом или термическом возбуждении материала р-типа. В материале п-типа (при определённых условиях) примесные атомы переходных элементов могут выступать в качестве фотоочувствляющих центров, обеспечивая высокую фоточувствительность полупроводниковых материалов. Высокая фоточувствительность материалов с глубокими уровнями позволяет использовать их в качестве приёмников излучения. При этом, особое внимание уделяется исследованиям этих примесей в широкозонных соединениях А В таких, как ОэАб, ваР и 1пР - наиболее перспективных при создании изделий оптоэлектроники для видимого и инфракрасного диапазонов. К числу примео с сей, создающих глубокие уровни в перечисленных соединениях А В и придающих им наиболее интересные фотоэлектрические свойства, относится медь. Оптические и фотоэлектрические свойства примеси меди позволяют, например, успешно использовать GaP.Cu для изготовления промышленных фотоприёмников.

Фосфид индия в настоящее время известен как материал для диодов

Ганна, в которых используется только одно свойство зонной структуры - наличие нескольких долин в зоне проводимости. Легирование фосфида индия примесями, создающими глубокие уровни в запрещённой зоне, открывает новые возможности его практического применения. Высокоомный 1пР с глубокими уровнями может использоваться в качестве материала диэлектрической электроники, как материал для фоточувствительных элементов, оптических фильтров, фазированных антенн и так далее.

В настоящее время уже существует немало исследований примесных состояний меди в ОаАБ и ОаР, но данные о поведении меди в 1пР практически отсутствуют. Имеющееся небольшое количество публикации по исследованию 1пР:Си не только не позволяет прояснить ситуацию с характеристиками примесных состояний меди в фосфиде индия, но и изобилует большим количеством разногласий между авторами, и некоторыми отступлениями от классических представлений о характере поведения примесных центров в полупроводниках (например, аномальная отрицательная разность между оптической и термической энергиями ионизации примесного уровня, приписываемого меди).

Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического университета по госбюджетным темам ГБ № 36.34 «Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах» и ГБ № 9.96 «Дефектообразование и диффузия

3 5 переходных элементов в полупроводниковых соединениях А В ».

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в определении физической природы примесных центров меди в фосфиде индия и объяснении их влияния на электрические и фотоэлектрические свойства 1пР.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: установить корреляцию между электрическими и фотоэлектрическими параметрами фосфида индия с примесью меди и режимами диффузионного легирования в интервале температур 710 ч- 940 °С; с помощью электрических и фотоэлектрических измерений уточнить энергетический спектр уровней меди в диффузионно-легированном InP; предложить модель примесных состояний меди в InP, описывающую электрические и фотоэлектрические свойства диффузионно-легированных кристаллов; на основании решения кинетических уравнений провести математическое моделирование электрофизических параметров InP: Си при различных условиях легирования.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы фотопроводимости и инфракрасного гашения собственной фотопроводимости, а также эффект Холла. Для проведения математических расчётов были использованы стандартные математические пакеты MATHCAD и MAPLE V.

Научная новизна работы. В работе впервые: установлено, что уровни Ev +0,32 эВ и Еу +0,55 эВ принадлежат различным состояниям примесного центра меди в фосфиде индия; предложена модель локализации атома меди в кристаллической решётке фосфида индия; установлена корреляция фоточувствительности InP:Си в примесной и собственной областях спектра с соотношением концентраций состояний меди, формирующих уровни Еу +0,32 эВ и Еу +0,55 эВ; обнаружен эффект инфракрасного гашения собственной фотопроводимости в р-1пР, который определяется примесными состояниями меди.

Практическая значимость работы. Комплекс наших экспериментов позволил изучить фотоэлектрические свойства InP:Си и дать им физическое объяснение, на основе которого возможно прогнозирование характеристик материалов с различным положением уровня Ферми, что необходимо для создания изделий твердотельной электроники. Поскольку область спектральной чувствительности 1пР наилучшим образом соответствует спектру излучения арсенидгаллиевых лазеров и светоизлучающих диодов, полученные результаты могут найти применение в практических оптоэлектронных устройствах.

Основные положения, выносимые на защиту: медь образует в запрещённой зоне 1пР только два уровня: акцепторный, с энергией Еу +0,32 эВ, и донорный, с энергией Еу +0,55 эВ. Примесные центры, создающие эти уровни, могут трансформироваться друг в друга в зависимости от способа связи замещающего индий атома Си с фосфорным окружением; реконструкция центров меди может осуществляться под влиянием оптического или термического воздействий, изменяющих концентрации основных и неосновных носителей. В равновесных условиях реконструкция всегда приводит к уменьшению концентрации основных носителей; наблюдаемый в спектрах фотопроводимости максимум при 1,2 эВ является следствием внутрицентрового перехода нейтрального атома меди из возбуждённого в основное состояние. Указанный внутрицентровый переход определяет эффект инфракрасного гашения собственной фотопроводимости в р-1пР:Си.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры полупроводниковой электроники, конференциях преподавателей и сотрудников Воронежского государственного технического университета; на Международном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых структурах" (Москва, 1996); Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупровод8 никах и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997); Международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и кабельных изделий (МКЭМК-97)" (Москва, 1997); Международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998); Международном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых структурах" (Москва, 1998), XX Международной конференции "Релаксационные явления в твёрдых телах" (Воронеж, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных ра-бот.В совместных публикациях автор проводил экспериментальные исследования, участвовал в обсуждении модели примесных состояний меди в полупроводниковых фосфидах, осуществлял обработку результатов экспериментов средствами вычислительной техники и математическое моделирование.

Прибылов H.H. консультировал автора по вопросам методик проведения диффузионных процессов, фотоэлектрических и электрофизических измерений; приёмов расчёта и обработки результатов, а также принимал непосредственное участие в обсуждении полученных результатов.

выводы

1. Электрофизические параметры фосфида индия, легированного медью, определяются не только режимом легирования, но и концентрацией и типом основных носителей, а также концентрацией и видом собственных дефектов исходного материала.

2. Медь образует в запрещённой зоне 1пР только два уровня: акцепторный, с энергией Еу +0,32 эВ, и донорный, с энергией Еу +0,55 эВ. Примесные центры, создающие эти уровни, могут трансформироваться друг в друга в зависимости от способа связи замещающего индий атома Си с фосфорным окружением.

3. Реконструкция центров меди может осуществляться под влиянием оптического или термического воздействий, изменяющих концентрации основных и неосновных носителей, В равновесных условиях реконструкция всегда приводит к уменьшению концентрации основных носителей.

4. Наблюдаемый в спектрах фотопроводимости максимум при 1,2 эВ является следствием внутрицентрового перехода нейтрального атома меди из возбуждённого в основное состояние. Указанный внутрицентровый переход определяет эффект инфракрасного гашения собственной фотопроводимости в р-1пР:Си.

5. Применение модели локализации атома меди в фосфиде индия, построенной на предположении о реконструкции примесных состояний даёт хорошее согласие с экспериментом численных расчётов электрофизических параметров 1пР:Си и может быть использовано как для анализа реальных свойств полупроводника, так и для прогнозирования его характеристик.

104

1.Clerjaud В. Transition-metal impurities in 1.I-Y compounds 11 J.Phys.C: Sol.St.Phys. - 1985. - Vol.18. - p.3615-3661.

2. Омельяновский Э.М., Фистуль В.И. Примеси переходных металлов в полупроводниках. М.: Металлургия, 1983. - 192 с.

3. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках: Пер. с англ. -М.:Мир, 1977.-562 с.

4. Баранский П.И., Клочков В.П, Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника. Справочник. Киев: Наукова думка, 1975. - 704 с.

5. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп: Пер. с англ. М.: Мир, 1967. - 478 с.

6. Turner W.J., Reese W.E., Pettit C.D. Exiton absorption and emission in InP // Phys. Rev. 1964 - Vol.136 - p. A1467-A1470.

7. Бараев Т.P., Елисеев П.Г., Сиукаев H.B., Ходаков M.K. Оптическое поглощение легированного фосфида индия. // ФТП 1970 - Т.4 - Вып.5 - с. 17121718.

8. Paves L., Paizza F., Rudra A., Garlin J.F., Ilegems M. Temperature dependent of band gap InP from photoluminescence measurements. // Phys.Rev.B. 1991. -Vol.44-N.16-p. 9052-9055.

9. Шалимова K.B. Физика полупроводников. M.: Энергоатомиздат, 1985. -392 с.

10. КовалевскаяГ.Г, Клотыньш Э.Э, Наследов Д.Н., Слободчиков C.B. Некоторые электрические и фотоэлектрические свойства InP, легированного медью. // ФТТ 1966. - Т.8 - Вып.8 - с. 2415-2419.

11. Ковалевская Г.Г., Наследов Д.Н., Сиукаев Н.В., Слободчиков C.B. Спектральная фоточувствительность InP п-типа. // ФТТ 1966. - Т.8 - Вып.2 - с. 475-477.

12. Негрескул В.В., Руссу Е.В., Радауцан С.И., Чебан А.Г. Излучательная рекомбинация в легированных кристаллах фосфида индия // ФТП 1975 - Т.9 -Вып.5- с. 893-900.

13. Ковалевская Г.Г., Алюшина В.И., Слободчиков C.B. О низкочастотных колебаниях тока в InP. // ФТП 1975 - Т.9 - Вып. 11 - с. 2125-2128.

14. Kullendorff N., Jansson L., Ledebo L-A. Copper-related depp level defects in III-V semiconductors // J.Appl.Phys. 1983 - Vol.56 - N.6 - p.3203-3212

15. Кирсон Я.Э., Клотынын Э.Э., Круминя P.K. Компенсация доноров в фосфиде индия медью // ФТП. 1988. - Т.22. - Вып.З. - с.565. - Деп. в ВИНИТИ, № Р-4319/87.

16. Дрейманис Э.А., Кирсон Я.Э., Клотынын Э.Э., Круминя Р.К. Изучение влияния меди на электрофизические свойства фосфида индия. // Изв. АН Латв.ССР: Сер. физ. и техн. н. 1986. - № 2 - с. 19-25.

17. Прибылов Н.Н., Рембеза С.И., Сустретов А.А. Амфотерное поведение меди в фосфиде индия. // ФТП. 1994. - Т.28. - Вып. 3. - с.467-471.

18. Шоу Д. Атомная диффузия в полупроводниках: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.-684 с.

19. Дахно А.Н., Емельяненко О.В., Лагунова Т.С., Метревели С.Г. Влияние компенсации на проводимость по примесям в n-InP при промежуточном легировании. // ФТП. 1976. - Т.10. - Вып.4. - с. 677 - 682.

20. Витовский Н.А., Лагунова Т.С., Рахимов О. Взаимодействие точечных собственных дефектов в фосфидах индия n-типа со скоплениями акцепторов. // ФТП. 1984. - Т. 18 - Вып.9 - с.1624-1628.

21. Skolnick M.S., Dean P.J., Pitt A.D., Uihlein Ch., Krath H, Deveaud В., Foulkes E.J. Optical properties of copper-related centers in InP. // J. Phys.C: Sol.St.Phys. 1983,-Vol.16.-p.1967-1985.

22. Jyh-Chwen Lee, Milnes A.G., Schlesinger Т.Е. Quenching of band-edge photoluminescence in InP by Cu. // Phys.Rev.B 1986 - Vol.34 - N.10 - p.7385-7387.

23. Абагян С.А., Амосов В.И., Крупышев Р.С. О природе примесного поглощения в GaP<Cu>.// ФТП.-1976.-Т.10.-Вып.9,- с.1719-1722.

24. Абагян С.А., Крупышев Р.С. Природа ослабления света в GaP<Cu>.// ФТП.-1978.-Т.12.-Вып.9.-с.2360-2364.

25. Schulze R.G., Petersen Р.Е. Photoconductivity in solution-grown copper-doped GaP.// J. Appl. Phys. -1974.-Vol.45,- p.5307-5311

26. Фистуль В.И. Распад полупроводниковых твердых растворов. М.: Металлургия, 1977. 240 с.

27. Шишияну Ф.С. Диффузия и деградация в полупроводниковых материалах и приборах. Кишинев.: Штиинца, 1978. 229 с.

28. Fagerstom P.O., Grimmeiss H.G., Titze H. Thermal and optical processes in GaP.Cu.// J. Appl. Phys. -1978.-Vol.49,- p.3341-3347

29. Grimmeiss H.G., Scholz H. Photoconductivity of Cu-doped GaP.// Philips. Res. Rep. -1965.-Vol.20,-p.107-124.

30. Grimmeiss H.G„, Monemar B. Some optical properties of Cu in GaP // Phys. Status Solidi (a). 1973.-Vol.19,- p.505-511.

31. Wessels B. Determination of deep levels in Cu-doped GaP. // J. Appl. Phys. -1976.-Vol.47.-p. 1131-1133.

32. Fabre E., Bhargava R.N. Thermally stimulated current measurements and their correlation wiht efficiency and degradation in GaP LED's. // Appl. Phys. Lett. 1974.-Vol.24.-p. 322-324.

33. Наследов Д.Н., Слободчиков C.B. О фотопроводимости в GaP. // ФТТ. -Т.4. -Вып.11. с. 3161-3164.

34. Grimmeiss H.G., Olofsson G. Charge-carrier capture and Its effect on transition capacitance in GaP-Cu diodes. // J. Appl. Phys. 1969. - Vol.40. - p. 2526-2533. '<

35. Grimmeiss H.G., Schols H. Optical and electrical properties of GaP-Cu. Part II//Philips. Res. Rep. 1966. - Vol.21. - p.246-249.

36. Allen J.W., Cherry R.J. Some properties of GaP-Cu. // Phys. Chem. Solids. -1962.-Vol. 53. p.509-511.

37. Olsson R. Impurity absorption in GaP doped with cooper and oxygen. // Phys. Status Solidi (b). -1971. Vol. 46. - p. 299-309.

38. Иващенко А.И., Икизли М.П., Наследов Д.Н. Слободчиков С.В. Низкочастотные осцилляции тока в высокоомном фосфиде галлия. // ФТП. -1973. Т.7. - Вып.З. - с. 612-614.

39. Goldstein В., Perelman S.S. Electrical and optical properties of high-resistivity GaP. // Phys. Rev. 1966. - Vol. 148. - p. 715-721.

40. Grimmeiss H.G., Monemar В., Samuelson L. Properties of deep Cu levels in GaP. // Solid State Electronics. 1978. - Vol. 21. - p. 1505-1508.

41. Буянова И.А., Остапенко С.С., Шейнкманн М.К. Симметрия и модель сложного центра поляризованной фото и электролюминесценции в монокристаллах GaP. // ФТП. 1986. - Т.20. - Вып.Ю. - с. 1791-1800.

42. Аверкиев Н.С., Ветров В.А., Гуткин А.А., Меркулов И.А., Никитин Л.П., Ремина И.И., Романов Н.Г. Нейтральное состояние глубокого акцептора Сиоа в арсениде галлия.// ФТП.-1986.-Т.20.-Вып.9,- с.1617-1622.

43. Аширов Т.К., Гуткин А.А. Влияние одноосного давления на полосу примесной фотолюминесценции с максимумом около 1,02 эВ (4,2 К) в GaAs<Cu>. // ФТП. 1983. - Т.17. - Вып.З. - с.418-421.

44. Morgan T.N., Pilkuln М., Rupprecht Н. Effect of Deep levels on the optical and electrical properties of copper doped GaAs p-n junctions. // Phys. Rev. -1965 Vol.l38A - p. 1551-1557.

45. Бродовой В.А., Колесник Н.И. Фотопроводимость GaAs:Cu в сильных электрических полях. // ФТП 1970 - Т.4 - Вып. 11 - с.2059-2062.

46. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука,1977. - 366 с.

47. Кучис E.B. Гальвано-магнитные эффекты и методы их исследования. -М.: Радио и связь, 1990. 264 с.

48. Рыбкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1963. - 496 с.

49. Сквайре Дж. Практическая физика: Пер. с англ. М.: Мир ,1971. -246 с.

50. Бонч-Бруевич B.JL, Калашников С.Г. Физика полупроводников. 2-е изд. перераб. и. доп. - М.: Наука, 1990. - 688 с.

51. Горбачёв В.В., Спицына Л.Г. Физика полупроводников и металлов. 2-е изд. перераб. и. доп. - М.: Металлургия, 1982. - 336 с.

52. Бродски М. Аморфные полупроводники.: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.-419 с.

53. Lucovski G. On the photoionization of deep impurity in semiconductors // Sol. St. Commun. 1965. - Vol.3. - p.299-302.

54. Аут И., Генцов Д., Герман К. Фотоэлектрические явления. М.:Мир, 1980. - 208 с.

55. Кустов В.Г., Орлов В.П., Преснов В.А., Азиков Б.С. Спектральная фоточувствительность неоднородных полупроводников. // ФТП. 1970. -Т.4. - Вып.4. - с. 669-672.

56. Захаров Ю.В. Фотоэлектрические свойства широкозонных соединений А3В5, диффузионно легированных примесями мели и никеля.: Дис. . канд. физ.-мат. н. Воронеж, 1988. - 125 с.

57. Прибылов Н.Н., Рембеза С.И., Спирин А.И., Буслов В.А., Сушков С.А. Фотопроводимость фосфида галлия, компенсированного медью.// ФТП. -1998. Т. 32. - Вып. 10. - с.1165-1169.

58. Прибылов Н.Н., Буслов В.А., Рембеза С.И., Спирин А.И., Сушков С.А. Собственная фотопроводимость фосфида галлия, компенсированного медью.// ФТП. 1999. - Т. 33. -Вып.8 - с.916-920.

59. Woodbury Н.Н., Ludwig G.W. Spin resonanse of Pd and Pt in silicon. // Phys. Rev. 1962. - Vol.126. - N.2. - p.466-470.

60. Milligan R.F., Frederick G. Anderson, Watkins G.D. Electron paramagnetic resonance of Pt" in Si: Isolated substitutional Pt versus Pt-Pt pairs. // Phys. Rev. В.: Condens. Mat. 1984. - Vol.29. - N.5. - p.2819-2820.

61. Bullis W.M. Properties of gold in silicon. // Sol. St. Electron. 1966. - Vol.9, -p. 143-168.

62. Henning J.C.M., Edelmeers E.C.J. Detection of deep senters in semiconductors by strain modulated electron spin resonance: Pt + in Si. // Sol. St. Commun. 1981. - Vol.38. - N.ll. - p.1037-1039.

63. Соколов В.И. Водородоподобные возбуждения примесей переходных 3d-элементов в полупроводниках. // ФТП. 1994. - Т.28. - Вып.4. - с.545-570.

64. Прибылов Н.Н., Буслов В.А., Рембеза С.И., Спирин А.И., Сушков С.А. Собственная фотопроводимость фосфида галлия, компенсированного медью.// ФТП. -1999. Т. 33. -Вып.8. - с.916-920.

65. Прибылов H.H., Буслов В.А., Рембеза С.И., Спирин А.И., Сушков С.А. Аномалии собственной фотопроводимости GaP:Cu. //Труды международной конференции "Оптика полупроводников" Ульяновск, 1998 г. с.147-148.

66. Берковиц B.JL, Киселёв В.А., Минашвили Т.А., Сафаров В.И. Оптическое исследование закрепления уровня Ферми на поверхности (110) полупроводниковых соединений А3В5. // ФТП. 1988. - Т.22. - Вып.1. -с.66-71.

67. Булярский С.В., Грушко Н.С. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. - 399 с.

68. Дьяконов В.П., АбраменковаИ.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М.: Нолидж, 1998. - 352 с.

69. Ильин Н.П., Мастеров В.Ф., Васильев А.Э. Примесный центр с частично заполненной d-оболочкой в бинарном полупроводнике. // ФТП. -1992. Т.26. - Вып.11. - с. 1866-1877.

70. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Введение в Maple. Математический пакет для всех. М.: Мир, 1997. - 208 с.

71. Дьяконов В.П. Математическая система Maple V R3/R4/R5. М.: Солон, 1998. - 399 с.