Спектроскопия фотолюмисценции и комбинационного рассеивания света тонких сверхпроводниковых пленок и гетероструктур на основе арсенида галия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ5 ОД'

\ і» Іі.ОГі В93

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУХ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ “

На правах рукопису УДК 535.37;621.315.592

БАЧЕРИКОВ ЮРІЙ ЮРІЙОВИЧ

"СПЕКТРОСКОПІЯ ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЇ ТА КОМБІНАЦІЙНОГО РОЗСІЮВАННЯ СВІТЛА ТОНКИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ШИБОК ТА ГЕТЕРООІЕУКТУР НА ОСНОВІ АРСЕНІДУ ГАЛІЮ".

01.04.10 - /фізика напівпровідників і діелектриків/

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичнихш наук

Київ - 1993

Робота виконана в Інституті фізики напівпродідникіз АН України

Наукові керівники: доктор фізико-математичних наук,

професор Корбутяк Д.В.,

доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Артамонов В.В.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, ;

професор Гнатенко Ю.П.

доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Остапенко G.C.

Провідна організація - Херсонський індустріальний інститут

Захист відбудеться "____________________1993 р. о____годин_____хв.

на засідані Спеціалізованої ради К 016.25.01 в Інституті фізики напівпровідників АН України (252650, Киів-28, проспект Науки, 45).

З дисертацією можна ознайомитися у бійліотзці Іпституту фізики напівпровідників АН України. •

Відгуки на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою, прохання надсилати за вказаною адреоою на ім'я вченого секретаря Спеціалізованої ради.

Автореферат розісланий "______"___________1993 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради, доктор фізико-математичних наук

Беляев О.Є.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ ■

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток напівпровідникової електроніки нерозривно пов'язання з досягненнями в області технології напівпровідників. Різке покращення якості традиційних

1 оволодіння новими напівпровідниковими матеріалами дозволили приступити до створення принципово нових типів (у тому числі швидкодіючих) інтегральних схем, оптоелектронних іНВЧ-приладів. Використання нових напівпровідникових матеріалів і приладів вимагає досконального дослідження їх фізичних властивостей.

Основним об'єктом дослідження у даній роботі було обрано СаАз отриманий методом молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ), як матеріал, що широко використовується в опто- і мікроелектроніці, а також гетероструктури і О^-надструктури на його основі.

Метод О-легування є досить перспективною технологією, оскільки дозволяє здійснити намірене розташування донорних атомів Зі 1 акцепторних атомів Ве в точній кількості з точністю до одного атомарного шару. Методика 0-легування використовується для створення надграток з У-подійними квантовими ямами. Однак, у даній роботі основну увагу було приділено не квантовим властивостям 0£0{-структур, а дослідженню впливу 0-шарів на властивості матриці СаАз.

Вирощування шарів СаАа на кремнієвій підкладці методом молекулярно-променевої епітаксії, уявляється також перспективною технологією, оскільки використання Бі як матеріалу підкладки для вирощування шарів СаАз дозволяє комбінувати Б і-схеми і СаАз-, що, в свою чергу, дає можливість використовувати переваги обох матеріалів для створення швидкодіючих приладів. Крім того, кремній має більшу теплопровідність ніж СаАз, що дає можливість покращити тепловідвід. І, накінець, що не менш важливо, Бі набагато дешевший 1 механічно міцніший від СаАз. Однак, з цілого ряду причин, таких як 4.1 % розугодження параметрів гратки СаАз і Зі, переходом від ковалентного напівпровідника до напівпровідника з частково іонним зв’язком, порушенням порядку в підгратках Са і Аа у процесі епітаксії і відмінністю коефіцієнтів температурного розширення СаАз і Зі, на межі розділу плівки-підкладки виникають значні за величиною механічні напруги, які породжують різного роду дефекти і дислокації в плівці СаАз. Тому зараз багато уваги приділяється пошуку засобів, які дозволяють впливати на

- г -

дефектність самих плівок і областей, що прилягають до гетерокордонів. Це ставить перед дослідниками ряд питань, які торкаються особливостей протікання фізичних процесів як в об'ємі таких шарів, так і іх впливу на приповерхневі області і на гетерокордони.

Крім того, у даній роботі було приділено багато уваги дослідженню властивостей ФЛ смуги, яка лежить в області, що перевищує ширину забороненої зони СаАз і має максимум в hv=1.551 еВ. Раніше вже зустрічалися роботи, в яких досліджувались лінії ФЛ з Етач=Ед+ А в СаАз. Однак, явища, пов'язані з “закраевим" випромінюванням ФЛ, досить рідкісні. Тому враховуючи це і те, що смуга 1.551 еВ зустрічалась в спектрах ФЛ гетероструктур CaAs/Si і Ojflj-структур СаАз, які є одним з основних об'єктів дослідження, стало причиною дослідження 11 властивостей.

Важливість цих задач визначила актуальність роботи.

Важливо при цьому відзначити, що метод фотолюмінісценції дозволяє контролювати фундаментальні характеристики напівпровідникових матеріалів, параметри домішкових центрів і дефектів кристалічної гратки. Вимір характеристик люмінісценції дає довідки про чистоту матеріалів, наявність електрично-активних і неактивних домішок і дефектів, їх природу і, як наслідок, вплив технологічних операцій на якість і параметри напівпровідникових структур. .

Основна мета даної роботи складається в систематизації вивчення ефектів структурного розупорядкування методами ФЛ і КРС, особливостей спектрів близькраєвоі і домішковоі ФЛ об’єктів, які містять у собі тонкі і надтонкі напівпровідникові плівки, над-гратки і гетероструктури; дослідження впливу зовнішніх активних факторів, таких як тиск, електричне поле, хімічні обробки та інше на спектри ФЛ таких структур; вивчення особливостей випро-. мінювальних центрів, локалізованих на гетерокордонах, в порівнянні з об'ємом напівпровідника, а також порівняння результатів отриманих за допомогою методики ФЛ з результатами досліджень, отриманих іншими методами.

У відповідності до поставленої мети вирішувались наступні задачі:

1. Вивчення близькраєвоі і домішковоі ФЛ тонких плівок СаАз, отриманих молекулярно-проміневоюепітаксією, зокрема, дослідження

- з -

впливу О-легованих шарів на властивості СаАз і порівняння рєауль-татів ФЛ з результатами, отриманими іншими методами і теорією.

2. Встановлення закономірностей структурного упорядкування і зниження безвипромінювальних трат в приповерхневій області плівок СаАз і гетероструктур на їх основі під впливом цілого ряду різних технологічних режимів і активних впливів (термовідпал, вплив орієнтації підкладки і т.ін.).

З .Дослідження методами ФЛ і КРС розподілу механічних напруг і дефектів в гетероструктурах і надгратках, ексітонних ефектів в названих структурах, а також вивчення впливу умов отримання і наступних обробок на їх властивості.

4. Вивчення особливостей ФЛ, “закраєвого" випромінювання МПЕ-СяАз в області 1,525 + 1,577 еВ і аналізу механізмів, що зумовлюють ці особливості.

Наукова новизна отриманих в дисертації результатів складається у наступному:

1. Вперше проведено систематичне дослідження методом ФЛ особливостей 0-легованого СаАз. На основі цих досліджень виявлено ефект гетерування в 0^-структурах. В тому числі, детальний аналіз результатів досліджень 0£0£-структур з різноманітним проміжком між 0-шарами дозволив визначити важливі особливості колективного внеску 0-иарів в ефект гетерування і оцінити ступінь розупорядкування плівок в порівнянні з об'ємним матеріалом. Приведено порівняння результатів досліджень, одержаних методами фотолюмінісценції (ФЛ), комбінаційного розсіювання світла (КРС), вторинної іонної масспектрометрії (ВІМС) і порушеного повного внутрішнього відображення (ППВВ).

2. На основі дослідження спектрів низькотемпературної ФЛ знайдено істотній вплив тиску парів миш'яку поблизу підкладки під час росту 04а{-структур на співвідношення концентрації Біаа 1 ЗіАо центрів в одержаних структурах. Розглянуто вплив обох типів центрів на ефект гетерування, а також механізм даного ефекту.

3. На основі досліджень приповерхневої області СаАз 1 гетероструктур на його основі виявлено істотне зменшення механічних напруг, структурної розупорядкованності плівки СаАз в результаті рівних режимів роста плівки, вибору орієнтації, а також в наслідок імплантації з наступним відпалом Зі-підкладки.

4. Встановлена кореляція величин механічних напруг і лінії ФЛ,

- 4 -

зумовленої структурними дефектами в СаАз, а також залежність розподілу розупорядкування і механічних напруг в залежності від відстані до гетерокор донів.

5. В МПЕ-СаАз, 0{01-структурах ігетероепітаксіальних структурах СаАз/Бі з орієнтацією (111) виявлена широка смуга люмініс-ценції з енергією фотонів, що перевищує ширину забороненої зони <lnM.551-r1.577 еВ>. Проведено дослідження особливостей цієї смуги і аналіз можливих механізмів, що обумовлюють її виникнення.

6. Проведено дослідження особливостей електрон “фононної взаємодії в МПЕ-плівках СвАя, вирощених на Зі-підкладках з різноманітною орієнтацією. Виявлена залежність величини електрон-фонон-ної взаємодії від величини механічної напруги в гетероструктурі СаАз/Бі.

Практична цінність дисертації заключається в тому, що встановлені закономірності змін ФЛ при вирівнюванні умов отримання плівок можуть бути використані для оптимізації технологічних режимів, у розвитку уявлення про характер процесів випромінювальної рекомбінації, які протікають в тонких і надтонких напівпровідникових плівках при наявності гегерокордонів і впливу зовнішніх активних факторів. -

Результати дослідження ФЛ МПЕ-плівок СаАз, виконаних на замовлення надродно-господарчих підприємств в 1982-1989рр., використовувались для оптимізації технологічних режимів з метою отримання ідеальних плівок СаАз і гетероструктур на його основі, а також плівок і структур з заданими властивостями.

Основні захищаемі положення:

1. О-шари кремнію в МПЕ-СаАз служать гетером домішок і дефектів із матриці СаАз. В бструктурах з декількома 3-шарами здійснюється колективний внесок й-шарів в ефект гетерування. Оптимальні величини проміжку між 0-шарами (сі), при яких ефективність роботи 0-шарів як гетера найбільша, дорівнює 50+150 нм.

2. Існує "порогова" концентрація кремнію для С-шару, при якому атоми 5і, в гратці СаАз, починають займати місця не тільки Са, а я Аз. Тиск парів миш’яку поблизу підкладки під час росту б^0^-структур впливає аналогічно на розміщення атомів Зі в гратці СаАз. Тиск (РАа), при якому співвідношення концентрації 5іаа до ЗіДа в одержуваних структурах мінімальне, становить ■* (8-8)х10"* Па. При співвідношенні Зіаа«ЗіАа - ефект гетерування істотно

- 5 -

погіршується, так як роль гетера в структурах виконують

тільки 5іоа центри.

3. Концентрація структурній дефектів, які є центрами випромінювальної рекомбінації в гетероструктурах GaAs/Sl росте, а величина електрон-фононноі взаємодії в цих структурах знижується з ростом величини напруги, що розтягує кристалічну гратку плівки, Концентрація структурних дефектів в МПЕ плівках GsAs на Si росте із вменьшенням відстані до гетерокордонів. .

4. Імплантація дозою 0=2.48x10см"1 іонами С+ з наступним відпалом при Т=£50°С Si-підкладки, яка має орієнтацію (111), призводить до зменьшення механічних напруг, а також до покращення структури МПЕ-плівок GaAs, вирощеної на такій підкладці, так як така обробка призводить до кращої відповідності граток підкладки і плівки, що росте.

5. В спектрах низькотемпературної ФЛ в МПЕ-СаАз, Ojfij-структурах і гетероепітаксіальних структурах GaAs/Si з орієнтацією (111), присутня широка смуга з енергією більшою забороненої зони <hv= 1.525+1.577 еВ). Відповідальна випромінювальна рекомбінація реалізується з участю акцепторных рівней.

Апробація роботи: IX Всесоюзный симпозиум "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" Новосибирск, 15-17 июня 1988г.; Всесоюзное совещание "Экситоны в полупроводниках-88" Вильнюс, 28-30 ноября 1988 г.; Школа-семинар по химии поверхности дисперсных твердых тел, Славско, 6-9 марта 1989 г.; Всесоюзная конференция "Поверхность-89". Черноголовка, 4-6 июля 1989г.; Школа молодых ученых, г.Паланга, 18-25 мая 1990.; VI Республиканская конференция "Физические проблемы ВДП-интегральноа электроники", г.Севастополь, 5-15 ипня 1990 г.; Школа молодах ученых "Нетрадиционные материалы и структуры для микроэлектроники: физические основы, технология, перспективы". г.Адупгга, 6-14 октября 1990 г.; Международная X школа семинар "Спектроскопия молекул и кристаллов", г. Сумы, 18-28 апреля 1991 г.; Школа молодах ученых "Нетрадиционные материалы и структуры для микроэлектроники: физические основы, технология, перспективы". г.Алушта, 27 сентября - 5 октября 1991 г.; School ior Young Scientists "Semiconductors: Tundamentala and Applications", Alushta, Crimea, 6-14 October, 1992; "182-nd Meeting

- б -

The Ilectochemicel Society", Toronto, Ontario, Canada, 11-16 October. 1992; "1992 Fall Meeting Of The Materials Research

Society", Boston, Massachusetts, USA, 30 November - 4 December, 1992.

Публікації: Основні результати диоертаційної роботи

опубліковані в б наукових статтях і 6 тезисах докладір на конференціях.

Структура і обсяг дисертації: Дисертаційна робота складається 8 вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літератури. Загальний об'єм 158 сторінок машинописного тексту (включаючи 52 малюнки, 3 таблиці).

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, обумовлена актуальність теми і мета роботи, показана наукова новизна і практична цінність задач,що вирішувались в дисертації, сформульованні основні положення, які винесені на захист, а також коротко викладені представлені в дисертації результати.

В першому розділі приведено огляд літератури, який відноситься до питань і проблем, досліджуваних в дисертації. Розглянуто основні теоретичні моделі, використані для інтерпретації процесів, які відбуваються в Ojôj-структурах, гетероструктурах і МПЕ-плівках. Показані переваги OjOj-структур і приладів на їх основі з V-подібним профілем квантової ями в порівнянні з іншими надграткамй, які мають П-подібний профіль ями.

Приведені наявні дані про вплив механічних напруг на спектри ФЛ гетероструктур і надграток, їх відмінність для зразків, які мають різні орієнтації підкладок, а також результати досліджень ФЛ 0-легованого GaAs і МПЕ-GaAs. вирощеного на Si-підкладці, які зустрічаються в літературі.

Особливу увагу приділено повідомленням про люмінісценцію, зумовлену переходами з енергією випромінювання, яка перевищує ширину забороненої зони. Це такі явища, як внутрішньоцентрова і гаряча люмінісценція, випромінювальні переходи між неосновними долинами, переходи в надгратках і т.п. Крім того, в першому розділі приведені літературні дані які торкаються природи DX-цен-трів, який е можливим джерелом ФЛ з hv>Ig.

Другий розділ присвячено дослідженню OjOj-легованого GaAs.

- 7 -

Аналіз спектрів ФЛ 0{в{-легованого СаАз, а також нелегованого СаАз, отриманих в однакових умовах, показав, що в 0{0{-структурах, на відмінність від нелегованого СаАз, ексітонні лінії ФЛ більш інтенсивні і вузькі. Крім того, інтенсивність ФЛ лінія 1.494 еВ і 1 .479 еВ в 0£6{-структурі падає в 2+5 разів в порівнянні з нелегованими СаАз. Тут необхідно відзначити, що практично у всіх 0-легованих зразках, товщина верхнього шару СаАз над 0-шарами в декілька разів перевищує глибину проникнення випромінювання, як Не-Ке, так і Аг-лазерів. Таким чином, при дослідженні 0-легованих структур методами ФЛ і КРС, нами фактично досліджені тільки властивості приповерхневого шару СаАз товщиною яка не перевищуе 500 А. Враховуючи все це, можна відзначити, що концентрація домішок і дефектів у верхньому шарі СаАз зменьшуеться. З цього випливає, що б-шар Бі є гетером домішок і дефектів із матриці СаАз.

Наші дослідження показали, що на якість СаАз істотній вплив здійснює величина відстані між б-шарами. Було встановлено, що зразки з (1=300+600 А мають більш досконалу структуру вивчаємо! плівки СаАз. Ці результати добре угоджуються з результатами досліджень цієі ж групи зразків методом КРС. Для зразків з (1*60 нм здвиг лінії Ю-фонона, а також його півширина мінімальні. Крім того, дослідження ППВВ, ВІМС, а також виміри Холла теш підтвердили результати ФЛ і КРС. Тобто, це говорить про те, що існує оптимальна відстань між 0-шарами при якій система 0-шарів найкращим чином працює як гетер домішок і дефектів із СаАз. •

Крім того, нашими дослідженнями було встановлена закономірність в погіршенні роботи 0-шарами як гетера при' перебільшенні концентрації (f^í!L) в б-шарі 5x10і* см-2. На спектрах ФЛ це відобразилось в підвищенні інтенсивності і розширенні домішкових ліній, а також у гіршому розділенні ексітонних ліній.

Аналогічна поведінка цих ліній на спектрах ФЛ для зразків при зменьшенні тиску парів миш’яку в процесі росту б{0{-структур. Такі зміни на спектрах ФЛ явно вказують на погіршення властивостей гетера у О-шарах і ймовірно зумовлені декількома причинами: це -зростання числа Уда, утворення центрів кремнію, який займає місце галію. Взагалі, властивості атома Бі на місці галію в гратці СаАз як гетера відомо давно і механізм даного ефекту зрозумілий . Він зумовлений кулоновською взаємодією акцепторних центрів

- 8 -

а донорними центрами Si і полем механічних напруг, які виникають внаслідок заміщення атома Са атомом Si, який має розміри і масу набагато меньиу ніж розміри і маса Ga.

Проте, у даному разі, ми бачимо ефект гетерування не окремо взятого атому Si, а внаслідок колективного вкладу атомів Si, зібраних в одному тонкому шарі, або, взагалі, системи о-парів. Пряміш доказом цьому служить наяваність оптимальної величини відстані між O-шарами, при якому система O-шарів найкращим чином працює, як гетер домішок і дефектів із GaAs.

Третій розділ даної роботи присвячено дослідженню гетероепі-таксіального GaAa, вирощеного на Si підкладках, які мають орієнтацію (100), (211) і (111). Як ежє говорилось раніше, по ряду прчин на кордоні розділу плівки - підкладки виникає значна напруга. Величина і знак механічної напруги визначались по формулам, отриманими Полоком, Гівіні і Кардоной. Енергетичний проміжок мій воною провідності і валентними зонами тяжких (AEhh) і легких дирок (AEls) (100) в Г точці для орієнтації (100):

Л(Ее -Ilh)=[2a(Slt+2Slí)-b(Sll-Sll)] X: (1)

Д(Ес X; (2)

Sjj-пружні постійні (податливості), X - біаксіальна напруга. Значення Sit і Sit для GaAs - 1.17x10'* Па'1 і -0.37x10'* Па'1,

відповідно.

Аналогічні вирази для біаксіальної напруги в плоскості (111):

Д(Ес -Ilh)=[2a(Sl]l+2SlJ!>-1/2 /з dS^>) X; (3)

Л(Ее -Xhh)=C2a(Sll+2S„)+1/2 /з dS4A>] X; (4)

де S44- податливість id- деформаційний потенціал для тригональної деформації. Значення S44 і d для GaAs рівні 18.6x10"* кбар'1 и -4.55 еВ, відповідно.

Аналіз спектрів ФЛ плівок GaAs різноманітної товщини, вирощених на Si підкладках показав, що спектр ФЛ плівки з товщиною 0.7 нкн складається практично із однієї широкої смуги toiM .3+1.5 еВ, зумовленою наявністю складних і ррзупорядкованих структурних порушень (дислокацій, дефектів). Спектр ФЛ більш товстих плівок GaAs (а>1 мкм) складається із лінії, обумовленої випромінювальною рекомбінацією через власні структурні дефекти, які включають вакансії миш'яку (VAia) (hv=1.42 еВ) і ліній, пов’язаних з до-

- 9 -

мішковини центрами Се, Зі і С. Притому, чим більша товщина СаАз, тим меньша півширина лінії ФЛ і меньше інтенсивність лілії ІпМ .42 еВ, при загальному збільшенні інтегральної інтенсивності ФЛ всього спектру.

Як відомо з літературних даних, лінія 1ш=1 .42 еВ,-зумовлена випромінювальною рекомбінацією через влзсні структурні дефекти, які включають миш'як (УАо), і в ненапруженому СаАз має енергію максимуму 1.44 еВ. На основі цього можна заключити, що в плівках СаАз розподіл концентрації дефектів по товщині неоднорідний. У кордонів СаАз/Зі концентрація їх максимальна, а у поверхні плівки

- мінімальна. Крім того, при дослідженні СаАз/Б і була знайдена кореляція між концентрацією дислокаційних дефектів, відповідних за лінію 1.42 еВ, і механічних напруг в плівці. Залежність інтенсивності полоси ЬгМ .42 еВ від величини механічної напруги X для зразків з орієнтацією Бі-підкладки (100) показує, що збільшення напруги в 1.5 рази призводить до росту її інтенсивності майже в

10 разів.

Також при дослідженні СаАз на Бі з орієнтацією (100) була знайдена залежність величини електрон-фононноі взаємодії (Й) від величини механічних напруг X, які розтягують кристалічну гратку плівки. Знайдена залежність 5Г(Х), тобто падіння {І, від X показує погіршення структури плівки СаАз із збільшенням механічних напруг. Така поведінка її, мабуть, повязана із зменьшенням імовірності взаємодії носія з граткою в розтягнутому кристалі.

З метою зменьшення розугодження граток СаАз і Бі була проведена імплантація 51-підкладки. Так як постійна гратки СаАз більша постійної гратки кремнію, припускалось, що імплантація підкладки іонами С+, яка призводить до збільшення міжатомарної відстані Бі, забезпечить зменьшення механічних напруг в МПЕ - плівці. Дійсно, дослідження спектрів ФЛ підтверджують таке припущення. Це видно по здвигу в короткохвильовій області лінії ФЛ. Однак, для покращення структури плівки що росте, цього виявилось недосить, і тому було додатково проведено відпал імплантованих підкладок, що привело до значного покращення структури МПЕ-СаАз. Оптимальна доза імплантації, одержана на основі наших досліджень, складала Ф= 2.48х1015 см“г, а температура відпалу 850°С.

Четвертий розділ присвячено дослідженню властивостей ФЛ смуги

- 1Q - .

в GaAs, яка лежить в області hv=l .525 + 1.577 еВ, названої смугою

N. Відсутність у літературі відомостей про смугу 3 Етах=1 .551 еВ, визначило необхідність проведення всебічних досліджень її властивостей, таких як вплив температури, Інтенсивності збуджуючого випромінювання і т.п. на поведінку цієї смуги.

Аналіз ФЛ спектрів показав, щр смуга hv= 1.525+1.577 еВ, скла-дается з трьох погано розділених лінія. Перша лінія має Ітах =1.534 еВ, друга - Ітах=1.551 еВ і третя Ітах=1.567 еВ. Лінія Emax=1.551 еВ найбільш інтенсивна, вона присутня на всіх спектрах ФЛ зразків GaAs, в яких спостерігалась "заісраєва" смуга. Рідше всього вдавалось спостерігати лінію =1 -567 еВ, вона присутня на спектрах ФЛ всього декількох зразків.

Систематизація результатів, які стосуються "закраєвоі“ смуги, дозволила виділити дві групи зразків. Перша - це зразки МПЕ-СаАз, вирощеного на GaAs в орієнтацією (100), на спектрах яких дана смуга виглядає у виді широкого плато, є основною групою зразків, про які піде мова у даній роботі.

Друга група зразків - це МПЕ-плівки GaAs, що піддаються сильній напрузі на розтяг, вирощені на Si-підкладці з орієнтацією (111).

Результати досліджень показали, що інтенсивність полоси 1.551 еВ пов'язана з особливостями всього Іншого спектру ФЛ. Виявилось, що інтенсивність ФЛ “закраєвоі" полоси падає від спектру до спектру - при аненьшенні числа ексітонних ліній, зникнення лінії вільного ексітону 1 падінні інтегральної інтенсивності спектру ФЛ. Імовірно це пов’язано з тим, що переходи, які зумовлюють виникнення полоси, сильно відчутливі до структурної недосконалості МПЕ-плівок GaAs.На користь цього свідчить і той факт, що 0-легування GaAs призводить до появи "закраєвоі" смуги.

Відразу хочеться звернути увагу на деякі особливості даної смуги. На величину 11 інтенсивності і її півширини. Інтенсивність смуги 1 .52541.577 еВ меньше ексітонної ФЛ тільки в 5+100 разів, а для другої групи зразків (GaAs/Sl) у ряді випадків навіть більше. Таким чином, механізми, які пояснюють гарячу люмінісценцію і переходи з Гас на T7V, з Ъас на r„v, з ХйС на Гву, з Lec на Г7у не приємливі. У цих двох випадках інтенсивність смуги ФЛ Е^+Д на 6+в порядків меньше, ніж “краєвоі" ФЛ. Що стосується

- 11 -

внутрідентровоі люмінісценції як механізму, здібного пояснити природу переходу даної "закраєвої" смуги, то його теж можна виключити. У даному разі ширина смуги 1.551 еВ біля 50 меВ. І навіть, якщо прийняти до уваги, що вона складається із декількох ліній ФЛ, кожна з яких має ширину “20меВ, то і це достатньо велика величина навіть для смуг рекомбінаційної люмінісценції, не говорячи вже про лінії внутрішньоцентрової люмінісценції півширина яких порядка декількох меВ.

Дослідження температурного гасіння люмінісценції "закраєвої" смуги дозволило визначити її термічну енергію активації. Вона має два значення і дорівнює AEt=28.27 меВ і AEt=9.43 меВ. Значення AEt=28.27 меВ, відповідає звичайній величині енергії іонізації акцептора і можна допустити, що обговорюваний перехід, відповідаючи за смугу 1.551 еВ, проходить з участю акцептора.

Незначна величина зсуву Франка-Кондона оЕРС=АЕо-АЕі «1.7 меВ. а також стабільне положення максимуму смуги в процесі температурного гасіння свідчить про незначну електрон-фононну взаємодію для розглядуваного центру випромінювання.

Із аналізу спектра збудження МПЕ-СаАз видно, що для смуги N має місце падіння інтенсивності поблизу збуджуваної лінії ФЛ, тобто відсутнє резонансне збудження. Це свідчить про те, що винекнення смуги пов’язане з непрямим переходом. Таким чином, випромінювальний перехід, відповідальний за смугу 1.551 еВ, не s прямим переходом. Цей факт і результати температурних досліджень, мабуть, можуть бути пояснені участю акцепторного рівня в реалізації даного переходу.

Обробка зразка GaAs в хімічних травниках показала, що інтенсивність цієї смуги ФЛ монотонно падала до значення 0.41 при стравленні СаАз до 800 А і при дальшому травленні вже практично не змінювалась. З цього можна заключити, що "закраєва" смуга не пов'язана з станом, виникаючим на поверхні МПЕ-плівки у процесі

11 росту. Це підтверджують також дані залежності смуги ФЛ для структури GaA3-Si02~Al від величин прикладеної напруги U. Так як зміна величини і знак об'ємного заряду, виникаючий на кордоні розділу SiO^-GaAs при прикладені напруги слабко впливає на поведінку смуги 1.551 еВ. Таким чином, ми не можемо пояснити таке "дивне" її енергетичне положення і за допомогою розширення

- 12 - . забороненої зони біля поверхні зразка.

Дослідження впливу механічних напруг на поверхні смуги 1.551 еВ показало. Що енергетичне положення максимума "закразвої" смуги, на відміну від усіх інших лінія спектру ФЛ не мінялось із зміною величини . Ці результати добре корелюють з поведінкою ліній 1.530 та 1.551 еВ в СаАз/Зі. На основі цього можна допустити, що рівні або частина рівней, відповідальних за випромінювальні переходи, результатом яких є дана “закраева" смуга, слабко пов'язані з основними мінімумами Іс і 1^, і можливо пов'язані з І-долиною або з X-долиною І . .

Останнім часом отримана велика кількість експериментальних даних, які стосуються йХ-центрів, також слабко пов’язаних з основним мінімумом Іе і пов’язаних з X-долиною Іс. Ряд авторів, досліджуючи зміни величини Ед і Евх від компонентного складу матеріала А1 Са Аз, отримали значення енергії рівня Ш-центру для різноманітних х і для х=0. Згідно Муні і Ненігу, при Т=4 К положення рівня ІіХ-центру в СаАз лежить в області 1.55*1.57 еВ, тобто вище дна зони провідності. Таке значення енергії рівня ВХ-центру прекрасно погоджується з енергією положення максимума смуги 1.551 еВ. Додатковим підтвердженням цього можуть служити дані розрахунків отримані Муном. У своїй роботі він трактує ИХ-центр, як тетраедричний Зіда, який має два рівня (+/-) і (+/0) з енергіями - 1.55 еВ і 1.57 еВ, відповідно. Ці значення дуже добре узгоджуються з енергетичним положенням ліній "закраєвого" -триплета.

Виходячи із вище приведених даних про ИХ-центри, імовірно, можна ототожнити рівень, який приймає участь в переходах для даної смуги 1.551 еВ, з рівнем ПХ-центру.

ВИСНОВКИ

1. На основі досліджень С^-структур СаАз методами низькотемпературної фотолюмінісценції, комбінаційного розсіювання світла, вторинною іонною масспектроскопією встановлено, що 0-шар здійснює істотній вплив на якість матриці МПЕ-плівки СаАз внаслідок яскраво вираженого ефекту гетерування.. При цьому максимальний ефект гетерування досягає у випадку використання системи 0-шарів за рахунок їх колективного внеску в гетерування. Встановлена оптимальна величина проміжку накопичення домішок і

- 13 -

дефектів у O-шарах призводить до зміни профіля квантової ями.

2. Встановлена оптимальна величина тиску парів миш’яку поблизу підкладки в процесі росту 0{0£-структур, при яких співвідношення концентрацій SiAo і Sia<i центрів в одержаних структурах мініналь-не. При такому співвідношенні, коли атоми Si заміщують в гратці СаАз в основному тільки атоми Ga, і практично не заміщують атоми Аз, О-шари в OjOj-структурах виявляють максимальний гетероефект. Крім того, знайдено аналогічний ефект при управлінні концентрацією Si в O-шарах під час росту. При перевищенні оптимальної величини концентрації Si в O-шарі, кремній починає заміщувати в гратці атоми Аз, що погіршує гетерування властивості O-шарів як гетера.

3. В результаті експериментальних досліджень характеристик ФЛ

і КРС встановлено неоднорідний розподіл концентрації дефектів по товщині в МПЕ-плівках гетероепітаксіальних структур СаАз/Si, які мають орієнтації Si підкладок (100), (111) і (211). Воно зумовлене наявністю в МПЕ-плівках СаАз на Si-підкладках механічних напруг, які розтягують кристалічну гратку плівки. При цьому в області кордону GaAs/Si концентрація дефектів максимальна, а в приповерхневому шарі плівки - мінімальна. Крій того, із досліджень поведінки лінія ФЛ 1.42 еВ і 1 .388 еВ, обумовлених випромінювальною рекомбінацією через власні структурні дефекти, які включають вакансії миш’яку (V ), встановлена залежність інтенсивності лінії 1.42 еВ, а також ступінь елеістрон-фононноі взаємодії від величини механічних напруг. ■

4. Знайдено покращення структури МПЕ -плівки, отриманої за допомогою імплантації іонів С+ в Si-підкладці (111) з енергією 150 кеВ і дозою Ф=2.48х101= сі.Г2 з наступним відпалом при Т=850°С в порівнянні з плівкою GaAs, вирощеною на Si (111) підкладці, яка не була піддана обробці. Це зумовлено зменьшенням розугодження постійних кристалічних граток.

5. У спектрах лгомінісценції МПЕ-плівок GaAa, гетероепітаксіальних структур GaAs/Si (111) і OjOj-структур вперие знайдено випромінювання з енергією, яка перевищує І (hv = 1.525 + 1,577еВ). Встановлено, що ФЛ випромінювання 1.525+1 ,577еВ, являє собою три-пліт погано розділених ліній. Температурні дослідження даної полоси дозволили визначити її термічну енергій активації (0Et=28.27 меВ і АЕ1=9,43меВ) і в сукупності з дослідженням спектрів збуд-

- 14 -

ження дозволили допустити, що відповідна випромінювальна рекомбінація реалізується з участю акцепторних рівнея. Встановлено, що величина і знак напруги в МПЕ-СаАз не здійснюють якого-небудь істотного впливу на полосу N, це є слідством того, що рівні, які приймають участь в N переходах, слабко пов'язані з основним мінімумом зони провідності і максимумом валентної зони.

Проведено порівняння даних, відомих про смугу У і смугу, що зумовлена переходами з рівня DX-центру в AlGaAs. Висунуто допущення, яке ототожнює рівень, переходом з якого реалізується ФЛ випромінювання відповідне за N смугу, з рівнем DX-центру.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1. Бачериков Ю.Ю., Берча А.И., Дэмчинз Л.А., Золотарев C.B., Корбутяк Д.В. "Низкотемпературные спектры . фотолюминесценции кристаллов СаАз, Cdle при различных состояниях поверхности" Тез. док. IX Всесоюзного симпозиума "Электронные процассы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" Новосибирск, 15-17. 07.1988г. с.57.

2. Бачериков Ю.Ю., Берча А.И., Дэмчина Л.А., Корбутяк Д.В., Крюченко Ю.В., Лашневич Е.Г., Трощенко A.B. "Влияние состояния поверхности полупроводников на их эксигонные спактры". Тез. док. Всесоюзного совещания "Эксигоны в полупроводниках-88" Вильнюс, 28-30.11.1988 г. с.16.

3. Бачериков Ю.Ю., Латкавич Е.Г. "Люминесцентные исследования приповерхностных слоев GeAs, обработанных в атомарном водороде". Тез. док. Школы-семинара по химии поверхности дисперсных твердых тел, Славсно, 6-9.03.1989 г. с.45.

4. Бачериков Ю.Ю., Венгер Е.Ф., йитгрук Н.Л., Корбутяк Д.В., Лиговченко В.Г., Дубышев Д.И., Мигаль В.П., Семягин О.В.,Снипсо О.В., Стенин О.И., Фидря H.A. "Диагностика 0-лэпфОванных слоев методами НПВО и фотолюминесценции". Тез. док. Всесоюзн. конф. "Поверхкость-89", Черноголовка, 4-06.07.1989 г. С.1Т9.

5. Бачериков Ю.Ю., Венгер Е.Ф., Дмитрук Н.Л., Корбутяк Д.В., Дубышев Д.И., Мигаль В.П., Снитко О.В., Фидря H.A. "Спектроскопия О-легированных слоев CaAs:Si". Писма в ЖТФ. - 1990

- т.16. - вып.9. - стр.27-31.

6. Бачериков Ю.Ю., Лашкевич Е.Г. "Низкотемпературные экситонные спектры фотолюминесценции МЛЭ-СвАз при различных

- 15 - .

состояниях поверхности" Тез. док. Школы нолодах ученых. Паланга, 18-25.05.1990 о с.32.

7. Артамонов В.В., Бачериков Ю.Ю., Лацшввич Е.Г., Ночипорук Б.Д., Садофьев Ю.Г. "Маханическиэ напряжения в гетероэпитаксиаль-ном СаДз, выращэнном на Si-подоюжкэ", Физика и техника полупро-водиков. - 1991. - т.25. - вып.4. - с.670-676.

8. Yu.Yu. Bacherikov. "Photoluainescence Studies of Hétéroépitaxial GaAs/Si", Phys. Stat. Sol. (a). - 1991. - Vol.126. -

p.485-491. . .

9. Бачериков Ю.Ю. "Фотолюмишсцэнция С-лэгированного GaAs", Физика полупроводников. Современные исследования. С<3. статеи/Кн-т полупроводников, Киев, 1991. - стр. 52-55.

10. Yu.Yu. Bacherikov, "Photoluminescence of GaAs structures О-doped with Si", Phys. Stat. Sol. (a). - 1992. - Vol.131 -

p.229-234.

11. Bacherilcoy Yu.Yu., Nechiporuk B.D., Rudko G.Yu., Kalini-

chenko Yu.V., Improvement of MBE-GaAs film structure due to the gettering by predeposited set of delta-doped layers", 1992 Pall Meeting Materials Research Society, Boston, Massachusetts, USA, 30 November - 4 Desember, 1992. .

12. ArtBBonov V.V., Bacherikov Yu. Yu., Voynenko V.I., Cnatyuk V.A., Kalinichenko Yu.V., Nechiporuk B.D., Sviridov P.V. "Effect of pulse laser annealing on surface of GaAs (111)", J. ïlectrqchem. Soc., v. 139, й. 8, p. 510, 1992.