Центры рекомбинации в нелегированном и сильно легированном акцепторами эпитаксильном GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На правах рукописи

Шамирзаев Тимур Сезгирович

Центры рекомбинации в нелегированном и сильно легированном акцепторами эпитаксиальном СаАэ.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

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

Новосибирск - 1998

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРУШЕНИЙ ЖФЭ - жидкофазная эпитаксия МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия РЗЭ - редкоземельный элемент ТД - точечные дефекты ФЛ - фотолюминесценция

Ью - энергия, соответствующая максимуму линии фотолюминесценции X - длина волны

|1 - подвижность носителей заряда. N¡«11 ~ концентрация центров К2п

- концентрации атомов цинка в слоях ОаАэ Ы0+ - концентрация ионизированных доноров Ы0 - концентрация мелких доноров Ыд~- концентрация ионизированных акцепторов ЫА - концентрация мелких акцепторов п - концентрация электронов р - концентрация дырок

Е^п - центр излучательной рекомбинации, образующийся в слоях

СаАэ, сильно легированных цинком Имп - центр излучательной рекомбинации, образующийся в слоях

СаАэ, сильно легированных марганцем. Тс - температура начала эпитаксии ТзиЬ - температура подложки

Тсг - температура в зоне крекинга твердотельного источника

молекулярного мышьяка Хса - концентрация гадолиния в жидкой фазе Хйп - концентрация цинка в жидкой фазе Хмп - концентрация марганца в жидкой фазе

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. Ненамеренно введенные дефекты в СаАэ.............. 11

1.1. Мелкие фоновые примеси в нелегированном СаАэ....... 11

1.1.1. Приемы и механизмы уменьшения концентрации мелких

доноров и акцепторов в нелегированном СаАэ ...... 13

1.2. Примесно - дефектные комплексы в сильно легированном СаАэ................................. 17

1.2.1. Влияние условий роста легированного СаАэ на

концентрацию примесно - дефектных комплексов...... 18

ГЛАВА 2. Методические вопросы исследований.................. 22

2.1. Методики получения образцов........................ 22

2.2. Методика измерения спектров фотолюминесценции...... 25

2.2.1. Схема установки для измерения спектров фотолюминесценции................................. 26

2.2.2. Выбор режима работы ФЭУ............................ 27

2.3. Нормировка спектров фотолюминесценции на пропускание оптической системы и спектральную чувствительность ФЭУ.............................. 28

2.4. Разделение сложных спектров фотолюминесценции на элементарные составляющие. Определение относительной концентрации центров рекомбинации из спектров фотолюминесценции................................. 29

ГЛАВА 3. Причины уменьшения концентрации мелких фоновых

примесей в слоях нелегированного СаАэ, полученного методом жидкофазной эпитаксии из расплава легированного редкоземельными элементами и методом молекулярно лучевой эпитаксии с использованием источника Аб2..................................... 32

3.1. Влияние легирования гадолинием висмутового раствора-расплава на концентрацию остаточных примесей в эпитаксиальном СаАэ ................... 33

3.2. Механизмы изменения концентрации мелких фоновых примесей в СаАэ, полученном методом МЛЭ при изменении молекулярного состава потока мышьяка.... 46

3.2.1. Экспериментальные результаты....................... 46

3.2.2. Обсуждение результатов............................. 58

ГЛАВА 4. Ненамеренно введенные центры рекомбинации в сильно

легированном акцепторами СаАэ, полученном методом

ЖФЭ............................................... 63

4.1. Центры рекомбинации, образующиеся в слоях арсенида

галлия, сильно легированного цинком............... 64

4.1.1. Экспериментальные результаты....................... 65

4.1.2. Обсуждение результатов............................. 80

4.2 Центры рекомбинации, образующиеся в слоях арсенида

галлия, сильно легированных марганцем............. 84

4.2.1. Результаты эксперимента............................ 84

4.2.2. Обсуждение результатов.............................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................122

ВВЕДЕНИЕ

Изучение поведения примесей в полупроводниковых материалах является одной из старейших и важнейших проблем физики полупроводников. В рамках этой проблемы особое внимание уделяется изучению фоновых примесей, определяющих электронные свойства нелегированного материала, и исследованию примесно-дефектных комплексов, которые, являясь центрами рассеяния и рекомбинации, оказывают существенное влияние на электронные свойства сильно легированного материала [1-4].

Состав и концентрации фоновых примесей и образующихся при высоких уровнях легировании примесно-дефектных комплексов неизвестны заранее и определяются условиями получения материала. Поэтому важными задачами являются идентификация фоновых примесей и введенных при намеренном легировании дефектов, выяснение влияния таких дефектов на электронные свойства материала, а так же развитие приемов уменьшения концентрации, ограничивающих области применения материалов, фоновых примесей в нелегированных и примесно-дефектных комплексов в сильно легированных полупроводниках.

К моменту начала работы были разработаны такие приемы уменьшения концентрации фоновых примесей в намеренно нелегированном СаАэ, как добавление в расплав редкоземельных элементов для материала, полученного методом жидкофазной эпитаксии и использование источника димеров мышьяка при получении материала методом молекулярно лучевой эпитаксии. Было показано, что применение этих приемов позволяет существенно уменьшить концентрацию остаточных примесей в эпитаксиальном СаАэ, однако причины уменьшения концентрации фоновых примесей окончательно установлены не были.

В сильно легированном СаАэ состав и энергетические параметры примесно-дефектных комплексов были хорошо изучены в эпитаксиальном материале п-типа проводимости. В то же время несмотря на то, что процессы образования комплексов и их параметры достаточно подробно изучены для эпитаксиального р+-6аАз, легированного германием и кремнием, к моменту начала данной работы, оставались открытыми вопросы о составе и параметрах комплексов, образующихся в эпитаксиальном баАв, легированном другими акцепторными примесями.

Цель работы состояла в изучении причин уменьшения концентрации мелких фоновых примесей в баАэ, полученном методом жидкофазной эпитаксии при легировании расплава гадолинием и методом молекулярно лучевой эпитаксии при использовании источника димеров мышьяка, а также в выявлении и исследовании дефектов, образующихся в сильно легированном акцепторами баАэ, полученном методом жидкофазной эпитаксии.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

В первой главе дан обзор мелких фоновых примесей, обнаруженных в намеренно нелегированном СаАэ. Приведены развитые к моменту начала работы технологические приемы, позволяющие уменьшать концентрацию фоновых примесей в намеренно нелегированном эпитаксиальном СаАэ, рассмотрены механизмы изменения концентрации фоновых примесей при использовании этих приемов.

Рассмотрены зависимости концентрации собственных точечных дефектов (ТД) и примесно-дефектных комплексов в сильно

легированном мелкими донорами и акцепторами СаАэ, от условий получения материала. Обсуждаются механизмы образования ТД и их комплексов с атомами легирующей примеси.

Во второй главе приведены условия получения исследованных в работе слоев СаАэ. Описаны методики обработки спектров фотолюминесценции (ФЛ) и получения из них информации об относительных концентрациях центров рекомбинации.

Третья глава, посвящена исследованию механизмов «очистки» арсенида галлия, полученного методами жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из расплава висмута легированного редкоземельными элементами (РЗЭ) и молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) с использованием источника двухатомного мышьяка. Экспериментально установлена зависимость концентрации и подвижности носителей заряда, а также состава мелких акцепторов и доноров в слоях ОаАБ, выращенных методом ЖФЭ из расплава висмута, от содержания гадолиния в жидкой фазе. Проведено сравнение эффективности «очистки» СаАэ, полученного из расплава висмута, легированного различными РЗЭ. Рассмотрено влияние температуры зоны крекинга источника двухатомного мышьяка на концентрацию носителей заряда, состав мелких акцепторов и доноров в слоях намеренно нелегированного СаАэ, выращенного методом МЛЭ. Проведен анализ причин изменения концентрации мелких фоновых примесей при повышении температуры крекинга мышьяка.

В четвертой главе приведены результаты исследования по выявлению введенных при легировании дефектов в сильно легированных СаАэггп и СаАэгМп, полученных методом ЖФЭ. Сообщается об образовании в этих материалах ненамеренно введенных при легировании дефектов: центра излучательной рекомбинации, состоящего из собственных точечных дефектов кристаллической решетки в СаАз:гп, а также центров

излучательной и безызлучательной рекомбинации в 0аАз:Мп. Обсуждаются причины образования обнаруженных нами дефектов.

В заключении приводятся основные результаты и выводы настоящей работы. Оговорен личный вклад автора.

На защиту выносятся

1. Экспериментальные результаты по зависимости концентрации мелких фоновых примесей в слоях ОаАэ, полученных методом жидкофазной эпитаксии из расплава висмута, легированного гадолинием, от концентрации гадолиния в жидкой фазе.

2. Экспериментальные результаты по зависимости концентрации мелких фоновых примесей в слоях СаАэ, полученных методом молекулярно лучевой эпитаксии с использованием твердотельного источника димеров мышьяка, от температуры в зоне крекинга мышьяка.

3. Факт обнаружения неизвестного ранее центра излучательной рекомбинации, в слоях арсенида галлия, сильно легированных цинком, полученных методом жидкофазной эпитаксии и экспериментальные результаты по влиянию температуры роста, металла растворителя, уровня легирования на концентрацию этого центра.

4. Факт обнаружения двух неизвестных ранее центров, один из которых является центром излучательной, а другой безызлучательной рекомбинации, в слоях СаАэ, сильно легированных марганцем, полученных методом жидкофазной эпитаксии из расплава висмута и экспериментальные результаты по влиянию температуры роста и уровня легирования на концентрацию этих центров.

Научная новизна работы. Все основные результаты приведенные в данной работе получены впервые:

установлено влияние легирования висмутового расплава гадолинием на концентрацию мелких фоновых примесей в слоях СаАэ, полученного методом ЖФЭ.

определены механизмы изменения концентрации мелких фоновых примесей в полученном методом МЛЭ нелегированном СаАэ, при изменении молекулярного состава потока мышьяка путем термического разложения молекул Аб4 на молекулы Аз2. Показано, что изменение концентрации мелких фоновых доноров и акцепторов в слоях нелегированного СаАэ, полученных методом МЛЭ при различных соотношениях димеров и тетрамеров мышьяка в постоянном полном потоке мышьяка, не связано с изменением стехиометрии растущего слоя при повышении доли Аб2 в полном потоке мышьяка, а обусловлено разложением соединений примесь-мышьяк и взаимодействием углерода с элементами конструкции в высокотемпературной зоне твердотельного источника Аз2.

- установлено, что в сильно легированном цинком ОаАэ, полученном методом ЖФЭ, образуется неизвестный ранее центр излучательной рекомбинации, ответственный за появление в спектре низкотемпературной ФЛ линии с энергией в максимуме 1.35 эВ. Высказано предположение, что центр является электронейтральным комплексом, состоящим из собственных точечных дефектов арсенида галлия.

- установлено, что в слоях сильно легированного марганцем СаАг, полученного методом ЖФЭ из расплава висмута, в дополнение к акцепторам марганец на месте галлия образуются два неизвестных ранее рекомбинационных центра, один из которых является центром излучательной, а другой безызлучательной рекомбинации. Показано, что образование этих центров может быть

обусловлено предварительной ассоциацией атомов марганца и мышьяка в расплаве висмута.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Показано, что для уменьшения концентрации мелких фоновых примесей в слоях нелегированного GaAs, полученных методом ЖФЭ из расплава висмута, легированных редкоземельными элементами, использование иттербия более эффективно по сравнению с использованием гадолиния.

2. Установленные механизмы образования неизвестных ранее ненамеренно введенных при легировании дефектов в слоях GaAs:Zn и GaAs:Mn, полученных методом жидкофазной эпитаксии, могут быть использованы при оптимизации условий роста слоев GaAs:Zn и GaAs:Mn с цель уменьшения концентрации обнаруженных нами дефектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на:

8-ой Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков,1992); Российской конференции Микроэлектроника-94 (Звенигород, 1994); 3-й Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997); Ninth International Conference on Solid Films and Surfaces (Denmark, 1998); 8-st International Conference on "Shallow-level centers in semiconductors", (France, 1998), а также обсуждались на семинарах в Институте физики полупроводников СО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ [5-15].

Глава 1. Ненамеренно введенные дефекты в баАв.

В первом параграфе данной главы рассматриваются мелкие фоновые примеси в намеренно нелегированном СаАэ. Приведен обзор приемов, позволяющих уменьшать концентрацию мелких фоновых примесей в намеренно нелегированном эпитаксиальном СаАэ. Рассмотрены механизмы изменения концентрации мелких фоновых доноров и акцепторов в слоях намеренно нелегированного арсенида галлия, полученного методами ЖЭФ и МЛЭ при использовании таких приемов.

Второй параграф главы посвящен обзору введенных при легировании дефектов в сильно легированном СаАэ. Рассматриваются причины образования точечных дефектов (ТД), зависимость их концентрации от условий роста. Приводятся механизмы взаимодействия ТД с атомами легирующей примеси, приводящие к образованию примесно-дефектных комплексов.

§ 1.1. Мелкие фоновые примеси в нелегированном СаАэ.

В следствие большой ширины запрещенной зоны концентрация собственных свободных носителей в арсениде галлия, даже при комнатной температуре, мала 107 см""3 ) , поэтому электронные свойства этого материала определяются мелкими фоновыми примесями и собственными дефектами. Концентрации фоновых дефектов зависят от метода получения и условий роста слоев. Так, наиболее чистые слои п-СаАз полученные методом газофазной эпитаксии имели подвижность электронов до 200000 см2/(В - с) при

77 К [16] . Слои, полученные методом ЖФЭ, имели подвижность до 190000 см2/(В-с) [17], однако, степень компенсации этих слоев была велика и равна 0.5. Примерно те же значения подвижности 210000 см2/(В-с), но меньшую степень компенсации 0.2 имеют слои полученные методом МОС-гидридной эпитаксии [18,19]. Наиболее же чистые слои намеренно не легированного СаАэ как п- так и р-типа проводимости получены к настоящему времени методом МЛЭ [20-24] . Слои п-СаАэ, полученные этим методом в работе [22] , имели рекордную для этого материала подвижность до 220000 см2/(В-с) при 77 К и максимальную подвижность, ограниченную рассеянием на ионизированных фоновых примесях 402000 см2/(В-с), при температурах 28-42 К.

Основными мелкими фоновыми примесями в намеренно нелегированном СаАв являются: обладающие донорными свойствами, элементы VI группы Периодической системы сера, селен и теллур, источниками которых является мышьяк; обладающие амфотерными свойствами элементы IV группы Периодической системы (за исключением углерода, встраивающегося в СаАэ только как акцептор) кремний, германий, олово и являющиеся акцепторами элементы II группы Периодической системы бериллий, магний, цинк, источники которых зависят от метода получения материала[25].

Для уменьшения концентрации фоновых примесей в намеренно нелегированном СаАБ используются различные технологические приемы, основанные на очистке исходных материалов - галлия и мышьяка; создании таких ростовых условий, при которых подавляется встраивание в растущий слой фоновой примеси, концентрацию которой необходимо уменьшить.

§ 1.1.1. Приемы и механизмы уменьшения концентрации мелких доноров и акцепторов в нелегированном СаАэ.

При росте слоев баАэ методом ЖФЭ используются следующие приемы, позволяющие уменьшить концентрацию фоновых примесей:

1) Предростовой отжиг расплавов [26], позволяющий уменьшить концентрацию находящихся в расплаве элементов, с высоким давлением насыщенных паров, например, цинка.

2) Замена расплава, с галлиевого на висмутовый [26-33]. Замена галлиевого растворителя висмутовым, как известно, приводит к изменению коэффициентов ра