Влияние дефектов на неоднородность излучательных характеристик и механических напряжений в монокристаллах арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

1? чщ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАНК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

На правах рукопису НДК 548,4:548.52:621.315.59

ЛІТВІНОВА ИАРИНА БОРИСІВНА м и

ВПЛИВ ДЕФЕКТІВ НА НЕОДНОРІДНІСТЬ ВИПРОМІНВВАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК І МЕХАНІЧНИХ НАПРЗІЕНЬ В МОНОКРИСТАЛАХ АРСЕНІДУ ГАЛІВ (01.04.07.- фізика твердого тіла)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

КИЇВ - 199?

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Херсонськом технічном університеті, м. Херсон

Наукові керівники: доктор фізико-математичних наук, професор Коваленко Віктор Федорович

професор Херсонського технічного університету

доктор фізико-математичних наук, професор Прохорович Анатолій Вікторович

зав, відділом Інстітуту фізики напівпровідників НАН України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Глінчук Константин Давидович головний науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор Браіловський Євгеній Ільович головний науковий співробітник Інституту ядерних досліджень НАН України

Провідна організація: Київський університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет.

ІІҐ

Захист відбудеться “ЛгЬі" ювтня І997 р. о 14 на засіданні Спеціалізованої вченої ради К-50.07.02 в Інстітуті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 252650 Київ-28, проспект Науки,45.

З дисертацією моина ознайомитись у бібліотеці Інстітуту фізики напівпровідників НАН України. м.Київ.

Автореферат розісланий "<Ш" вересня І997 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

кандидат Фіз.-мат. наук (А П ____- РУДЬКО Г.1.

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Одним з найважливівих напрямків розвитку технології напівпровідникових материалів є підвищення однорідності їх структурних, злектрофізичних та рекомбінаційних характеристик, необхідних для відтворення параметрів та покращення якості электроних приладів, Псе білья иироке застосовування арсеніду галію в різних областях злектроніки для створення дискретних приладів та інтегральних схем обумовлює актуальність проблеми однорідності цього материалу.

Незважаючи на ваяливість задачі отримання однорідних кристалів та великої уваги, що приділялася вивченню причин неоднорідного розподілу різних характеристик в їх об'ємі, на початок виконання цієї роботи механізми формування неоднорідності деяких Фізичних властивостей заливалися значною міро» не з’ясованими.

В арсеніді галію основним джерелом неоднорідності властивостей є дефекти кристалічної структури. Найбільва увага приділялась дослідженню їх ролі у формуванні неоднорідного розподілу злектрофізичних характеристик. В той же час практично не досліджувався вплив дефектів на виникнення макронеоднорідності люмінесценції, яка знижує відтворення параметрів оптоелектронних приладів, цо виготовлені на основі цього матеріалу, і механічних напружень, цо стимулюють деградаційні процеси їх вихідних параметрів та негативно впливають на надійність, стабільність і довговічність цих приладів.

МЕТА РОБОТИ. Метою цієї роботи є вияснення основних закономірностей впливу дефектів на формування макронеоднорідності люмінесцентних властивостей і механічних напружень в монокристалах арсеніду галію; установлення залежності характеру та величини їх неоднорідності від густини дислокацій, степіні нестехиометрії, доміикового складу та способу здобуття матеріалу.

НАНКОВА НОВИЗНА РОБОТИ. Наукова новизна полягає в установленні особливостей впливу нестехіометрії та домівкового складу на неоднорідність люмінесцентних властивостей кристалів арсеніду галію, визначенні джерел внутрішніх механічних напружень в монокристалах напівізолвючого нелегованого арсеніду галію.

Наибільв важливими результатами є такі:

і. Встановлено вплив степіні нестехіометрії на неоднорідність випромінювальних характеристик монокристалів напівізолю-ючого арсеніду галію.

2. Знайдені інтервали значень степіні нестехіометрії напів-ізолюючого арсеніду галлів, що забезпечують кореляцію та анти-кореляців розподілу люмінесцентних властивостей з розподілом густини дислокацій. З точки зору однорідності випромінювальних характеристик кристалів визначені оптимальні співвідновення концентрацій вакансій галію і миш’яку.

3. Встановлена залежність величини неоднорідності інтенсивності фотолюмінесценції (ФЛ) від рівня легування монокристалів

- з ростом концентрації легуючої домішки неоднорідність інтенсивності ФЛ зменшується, чо пов’язано з впливом електростатичного потенціалу Іонізованих атомів домівки на зфективність перерозподілу заряджених вакансій під шшшоа дислокацій. '

4. Показано, що неоднорідність люмінесцентних властивостей епітаксіальних р-п-структур БайзС 5і) визначається амфотерністю атомів кремнію, які займають вузли як у підрешітці галію, так і у підрешітці иим'яку, а також неоднорідним розподілом по площині структур густини дислокацій. Визначена спільність причин,

що обумовлюють неоднорідність випромінювальних характеристик в матеріалі, який видобутий рідиннофазною епітаксією і витяганням з розплаву.

5. Встановлено, що основними джерелами внутрішніх механічних напружень в монокристалах напівізолюючого нелегованого (НІН) арсеніду галію є градієнт густини дислокацій р N(1 и нестехіо-метрія кристалів. Зростання 7 И(і спричиняє збільшення напружень. Мале відхилення від стехіометріиї обумовлює найбільші механічні напруження, які знижуються по мірі зростання нестехіометрії. Це пов’язано з впливом зарядового стану вакансій на зфективність їх перерозподілу в поперечному перерізі злитка під впливом дислокацій.

НАНКОВЕ ТА ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ РОБОТИ полягає в тому, що:

1. Визначені джерела неоднорідності та характер впливу кожного з них на нерівномірний розподіл люмінесцентних властивостей в об’ємі кристалів арсеніду галію. На цій основі розроблені рекомендації по підвищенню однорідності кристалів.

2. Запропонований в роботі механізм перерозподілу точкових дефектів вакансійного типу під впливом дислокацій, який обумовлює неоднорідність випромінювальних характеристик арсеніду галію, може бути застосований £ля з’ясування неоднорідності властивостей інших сполучень А' В' .

3. Запропонован кількісний експресний метод оцінювання сте-

піні нестехіометрії монокристалів напівізолввчого нелегованого арсеніду галію. .

ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ. ЯКІ ВИНОСЯТЬСЯ НА ЗАХИСТ:

1. Неоднорідність випромінювальних характеристик в монокристалах арсеніду галій визначається неоднорідним розподілом густини дислокацій, степінв нестехіометрії кристалів та рівнем їх легування як при витяганні злитків з розплаву, так і при рідино-фазної епітаксії.

2. Величина неоднорідності випромінювальних характеристик в поперечному перерізі кристалів напівізолвшчого нелегованого арсеніду галів нетривіально залежить від степіні нестехіометрії: в стехіометрічних кристалах неоднорідність відсутня: в кристалах з мінімальнов нестехіометрієв вона максимальна: із зростанням нестехіометрії неоднорідність інтенсивності люмінесценції зменшується. Виявлені особливості пов’язані з перерозподілом заряджених. вакансій галію та миш'яку під впливом дислокацій.

3. Збільшення рівня легування кристалів підвищує однорід-

ність їх люмінесцентних властивостей, що пов’язано із зростанням кулонівської взаємодії вакансій з іонами домішки. .

4. Внутрішні механічні напруження в монокристалах напівізо-люичого нелегованого арсеніду галів визначаються градієнтом густини дислокацій й співвідношенням концентрацій вакансій галів та миш’яку з урахуванням їх зарядового стану.

АПРОБАЦІЯ РОБОТИ. Основні матеріали диссертаційної роботи доповідались на II Українскій конференції " Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу" (Ніжин, 1993). на науковій конференції молодих вчених і студентів (Київ ДАЯПУ, 1994), науково-практичній конференції викладачів та співробітників ХІ1 (Херсон, 1995), Міжнародній вколі-конференції "Physical problems in material science of semiconductors" (Чернівці', 1995).

ПУБЛІКАЦІЇ. Основні результати дисертації опубліковані у 13 роботах, перелік якіх наведений в кінці автореферату.

ОСОБИСТИЙ НАУКОВИЙ ВНЕСОК. Диссертація є узагальненням досліджень по проблемі формування неоднорідності люмінесцентних властивостей і механічних напружень в кристалах арсеніду галію под впливом дефектів їх структури. Автор особисто провів більшість експериментів, результати яких лягли в основу роботи і визначили ії наукову новизну. Дисертант брав активну участь в

інтерпретації отриманих результатів і написанні наукових праць.

ОБСЯГ І СТРУКТУРА ДИСЕРТАЦІЇ. Диссертація складається із ч вступу, п’яти розділів, основних висновків та списку використаних джерел. Вона містить Щ сторінок машинописного тексту, ^рисунків одну таблицю, ІІ4 посилань на літературні джерела. Повний обсяг роботи містить 150 сторінок. :

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У встипі обгрунтовані актуальність теми і вибір об’єкту дослідження, сфоромульовані мета і завдання роботи, викладені наукова новизна і практична цінність, наведені основні положення, що виносяться на захист.

■Пєрдий розділ має оглядовий характер і присвячений аналізу існуючих до початку виконання роботи літературних даних про мік-ро-і-макронеоднорідності фізичних властивостей в об’ємі арсеніду галію. Він має п’ять підрозділів.

У першому та другому підрозділах розглянуті закономірності формування неоднорідного розподілу структурних дефектів в монокристалах, зрощених методом Чохральского. У наступних підрозділах проанализовані дані про неоднорідность злектрофізичних, випромінювальних і механічних характеристик напівізолюючого і низькоомного арсеніду галію. Розглянута відповідність існуючих теоретичних уявлень і експериментальних результатів. Наприкінці розділу наведені підсумки огляду, визначені найбільш актуальні не розв’язані на сьогодніиній день проблеми і встановлені основні напрямки досліджень, виконаних у дисертаційній роботі.

Дрцгий розділ присвячений опису обладнання та методик дослідження параметрів монокристалів арсеніду галію.

У межах поставленого зксперіментального завдання в першому підрозділі розглянута методика вимірювання спектрального складу, інтенсивності крайової та домішкових смуг фотолюмінесценції на-півізолюючого і легованого різними домішками арсеніду галію при температурах 77 и 300 К. Джерелом збуждення люмінесценції був гелій-неоновий лазер з довжиною хвилі випромінювання К= 0.63 мкм і діаметром світлового зонду до 100 мкм. У другому підрозділі розглянуті похибки вимірювання спектрів фотолюмінесценції. Похибка при визначенні максимума крайових смуг ФЛ складала 0.001 еВ, а для максимума довгохвильових смуг не була більше 0.01 еВ. Відносна похибка вимірювання інтенсивності ФЛ з довірчою ймовірністю не менш 0.95 дорівнювала 8%.

'J третьому підрозділі наведений розроблений кількісний експресний метод оцінювання відхилення складу напівізолюючого арсеніду галію в твердій фазі від стехіометричного. Метод заснован на залежності параметру К=Іі.»9/Іі.5і - відношення інтенсивності смуг крайової ФЛ з знергіею максимумів hvsa:=1.495 еВ (перехід зона провідності - акцепторний рівень, створений центром Css) і hv«i=1.5i0 еВ (перехід зона - зона) від співвідношення концентрацій вакансій миш’яку та галію [U^l/tUs»]. Залежність K=f( [Us5]/[toa]) встановлена на основі порівняльного аналізу експериментальних значень К і літературних даних з нестехіометрії з урахуванням закону діючих мас для вакансій.

Я четвертому підрозділі описаний четирьохзондовий метод визначення питомого опору монокристалів напівізолюючого арсеніду галію, що дозволяв знаходити його значення при^<г,5*10,0м*см. Концентрація носіїв заряду легованих кристалів (і*10<п<2*1О см"-3) визначалась по напіваирині смуги крайового випромінювання при 300 К. З п’ятому розділі викладена методика визначення густини дислокацій у поперечному перерізі злитків, її середньої по площині перерізу величини, а також градієнта Nd на окремих дільницях уздовж діаметру. У шостому - розглянутий використаний у роботі поляризаційно-оптичний метод вимірювання механічних напружень в монокристалах.

У сьомому підрозділі наведені методи дослідження неоднорідності випромінювальних характеристик і густини дислокацій по площині та глибині епітаксіальних р-n структур GaAs(Si) товщиною до 80 мкм і діаметром 35-40 мм, вирощених на підложках GaAs(Sn) з різною товщиною, при пошарному травленні із застосуванням проекційного травителя АВ.

У восьмому підрозділі розглянута підготовка зразків до досліджень та методика знаходження розподілу усіх параметрів в поперечному перерізі монокристалів. Вимірювання проводились по одній і тій же радіальній доріжці на кожному зразку з інтервалом, який складав~і мм для спектрів випромінювання та густини дислокацій, і~4 мм - для питомого опору. У відповідних розділах (2.1-2.6) наведені формули для оцінювання степіні неоднорідності таких розподілів і для кааної зкспериментальної величини наведені точнісні характеристики її визначення.

З третьому розділі представлені результати зксперименталь-ного дослідження характеру розподілу люмінесцентних властивостей (спектрального складу і інтенсивності ФЛ), структурних парамет-

рів і питомого опору в поперечному перерізі злит-

ків напівізолюючого нелегованного арсеніди галів в залежності від степіні їх нестехіометрії на фронті кристалізації.

9 підрозділі З.і обгрунтований вибір критерієм нестехіометрії співвідношення концентрацій вакансій мтв’яку і галію в твердій фазі. Показана більша верогідність такого критерію у зрівнянні з використовуваною раніше оцінкою нестехіометрії монокристалів по кількості миш’яку в рідинній фазі.

Основні результати досліджень, викладені в разділах 3.2 та 3.3. є такими:

1. Спектри ФЛ досліджених кристалів вміщали смугу випромі-

нювання з енергією максимума Ьи«г=1,5і0 еВ. яка визначається переходами вільних та зв’язаних на мілких донорах злектронів у валентну зону, смугу з Ьуні=і.495 еВ, яка обумовлена участю у випромінювальних переходах мілких акцепторних центрів - атомів вуглецю у вузлах миш’яку (С.^ ). У спектрах деяких кристалів крім

вказаних смуг спостерігалась також смуга з Ьуїн=0.80 еВ невеликої інтенсивності, яка пов’язується з випромінювальними переходами через глибокі донорні центри.

2. З поперечному перерізі монокристалів, зрощених методом Чохральского, з середньою густиною дислокацій ИсІ=3.2*і(^-1.5*

*10*см",г неоднорідністю Н(і-'45-75Х й типовим Н- образним профілем їх розподілу спектральній склад випромінювання не змінився. Оскільки для більшості досліджених злитків відноіення інтенсивностей ФЛ полос з ь««к=1.495 еВ та ЬУзаі=1.510 еВ по перерізу також практично не змінювалась, то при розгляді неоднорідності інтенсивності обох смуг для скороченості впроваджується однаковий символ Іфл.

Характер розподілу Іфл і питомого опору залекив від величини параметру К-і!і?/і!.5і, якій відоборажає степінь відхилення складу монокристалів від стехіометричного (рис.і,2). Діапазон зміни К для різних кристалів складав 0.035-1.04, що відповідає зміненнв 0.063 < [и*5І/Сіїєіі < ІЗ.70.

3. У поперечному перерізі кристалів з дефіцитом галію (К< <0.23, [и»і]/[ива]<0.72) має місце М- образне, антикорелюєче з И(і, розподілення інтенсивності люмінесценції. З злитках із значеннями 0.23<К<0.26 и 0.72<Си.45]/[иіі]<1.30 ( ділянка стехіометрії) розподіл Іфл був близьким до однорідного. В кристалах з дефіцитом мив’яку ( 0.26<К<0.б, І.ЗОсіи^І/Сиеакі.бІ ) спостерігалось Н- образне, корелююче з Н(і, розподілом Іфл (рис.і).

р ,Ом*см

V

В монокристалах із завеликим дефіцитом мив’яку (Н>

>0.60.£ІТазЗ/ГисаЗ>і ,бі) мав місце Ц-образний розподіл Іфл. степінь неоднорідності якого зменьвувалась із зростанням нестехіометрії (рис.2).

Головна роль а формуванні неоднорідності Іфл у кристалах з [Идіілисакі.61 налеяить впливу дислокацій, що обумовлюють посткристалізацій-ний перерозподіл власних точкових дефектів (ВТД), зокрема, вакансій мив’яку та галів. Останні є афективними центрами безвипромінввальної рекомбінації, та їх неоднорідний розподіл формує про-20 г.мм філь Іфл. Із зростанням N4 та зменіенням мівдислокацій-них відстаней сила взаємодії ВТД з дислокаціями збільну-ється. Це викликає рух домінуючих вакансій у напрямку збільшення N(1. Н кристалах, у яких [ий®]/СисаЗ<0.?2# доми-нуючі вакансії галів стягуються в периферійні і центральні ділянки злитків, де густина дислокацій значно вице, Внаслідок інтенсивність ФЛ на цих ділянках зменвується порівнянно із кільцевою ділянкою перерізу з мінімальною №.

9 стехіометричних кристалах близьке до однорідного розподілення Іфл обумовлено особливостями механізму перерозподілу вакансій за умовою рівності їх концентрацій, яке розглянуте в четвертому розділі.

У кристалах з дефіцитом мив’яку при значеннях 1;.^0< <[ІІА!]/іия]<1.61 домінуючі вакансії мив’яку стягуються на ділянки перерізу з підвищеною N(1. Вплив закону діючих масс обумовлює пропорційне зменшення концентрації вакансій галію на цих ділян-

Рис.і. Розподіл в поперечному перерізі кристалів НІН Єай$ з дефіцитом галів СІ-3) и дефіцитом мив’яку (1-31) густини дислокацій (І,і'), інтенсивності крайової ФЛ (2,2') і питомого опору (3,3*).

-20 -10 0 Рис.2. Розподіл в поперечному перерізі кристалів з великими значеннями іі.«/іь5і густини дислокацій (1,1 ’інтенсивної і крайової ФЛ (2,2’): питомого опору (3,3’).і,2.З -п-тип, 1’,2’,3’ -р-тип провідності.

р,0м*см ках і, як наслідок, збільвен-'10 ня Іфл на них.

Факторами, що визначають неоднорідний розподіл Іфл в кристалах з [Ц&ІлиеаЬІ .61, є збіднення приповерхневої ділянки розплаву миш’яком та часткове приповерхневе розкладання злитків у процесі витягування, що призводить до зростання концентрації вакансій й$ від центру до їх бокової поверхні. Відповідно до закону діючих мас концентрація вакансій галій зростає від бокової поверхні до центру перерізу, що і формує и -

- образний профіль Іфл.

10 20 г,мм 4. Питомий опірр у крис-

талах з К<0.6 і іиьі/їийкі.бі змінювався відповідно до величини густини дислокацій (рис.1). У злитках з антико-реляцією Іфл та Нй проф1ль_р був Н- образним (корелював з N(1), а в злитках с кореляцією

- М- образним (антикорелював з 1Ш, В кристалах з рівномірним розподілом інтенсивності випромінювання розподілення питомого опрору було близьким до рівномірного.

В монокристалах із завеликим дефіцитом миы’яку ( К > 0.6, Си&еЗ/Си&а]>1.61) характер неоднорідності питомого опору залежив від типу їх провідності (рис.2). У злитках з п-типом проводност-у збільшувалось от периферії' до центра (антикорелавалс *

У ьрИ‘.галах з р-гк!ь-а провідності^ гаенвувалось від бокової поверхні до центру (корелювало з Іфл).

Характер розподілу питомого опору в кристалах а різною не-стехіометрією обумовлений відповідним характером розподілу в них різнойменно заряджених вакансій галів та мив’яку. Злектростатич-на взаємодія вакансій з незалеяними носіями заряду викликає пе-

рерозподіл останніх по перерізд злитків.

9 четвертому розділі наведені рездльтати дослідження залежності відносної неоднорідності інтенсивності ФЛ (сіІфЛ/^Исі ) і вндтріиних механічних напружень від степіні нестехіометрії монокристалів НІН Байз. На їх основі запропонований механізм формування неоднорідності Іфл, встановлено виконання закону діючих мас для вакансій д нерівноважних умовах, розглянута природа вндтріїніх механічних напрджень. Основні підсдмки досліджень полягають д наступному:

1. Відносна неоднорідність Іфл нетривіально залежить від степіні нестехіометрії - в стехіометричних кристалах ?ІфлАН(і~0, в кристалах з малим відхиленням від стехіометрії вона досягає, найбільних значень і зменвується із звільненням степіні нестехіометрії (рис.З (і)).

2. Одержаний характер залежності ^Іфл/сГм від [иазілисз] обумовлений спільним впливом двох факторів - дислокацій та зарядового станд вакансій. Кулонівська взаємодія заряджених вакансій заважає їх перерозподілу під впливом дислокацій. Степінь куло-нівської взаємодії між вакансіями залежить від відстані між ними і визначається їх концентраціей і співвідношенням [иазІЛЦіа].

9 стехіометричних ([и«і]=[ис»]) й суттєво нестехіомет-ричних (іийї]>>[Цса] або [Шзксіигі]) кристалах відстань між сусідніми зарядженими (різнойменно в першому і однойменно -в другому випадкд) вакансіями забезпечдє перевищення сили ку-лонівської взаємодії над дією дислокацій, через це не має місця помітний перерозподіл вакансій.

9 кристалах з невеликим відхиленням від стехіометрії з дефіцитом як по галів, так і по мии’яку, перерозподіляються тільки ті доміндючі ("основні") вакансії, потенціали яких не скомпенсо-вані потенціалами "неосновних" вакансій. Збільшення відстані між однойменними зарядами забезпечдє зниження сили їх кулонівської взаємодії. Внаслідок вплив з боку дислокацій перевицдє силу електростатичної взаємодії вакансій та викликає їх перерозподіл. Ефективність перерозподілу зростає по мірі вирівнювання концентрацій Уіі і и»з, досягаючи максимального значення при їх мінімальній різниці.

3. Величина відносної неоднорідності Іфл змінюється по перерізу злитків. Характер цієї зміни візначатьєсяє характером нестехіометрії - превалювання вакансій галію візначає більшу неоднорідність у центральної ділянці перерізд, а превалювання ва-

ІбІ.МПа

Рис. 3. Залежності середніх значень напружень (і), відносної неоднорідності інтенсивності ФЛ (2) і середньої гдстини дислокацій (3) по перерізу кристалів від нестехіометрії.

кансій миш’яку - в периферійній кільцевій ділянці перерізу, що є наслідком закону діючих нас для вакансій.

На основі цих особливостей неоднорідності Іфл з урахуванням ТОГО, ЦО неоднорідний розподіл [и*5] І [и?і] зберігається в суттєво нерівноважних умовах кристалізації, а також даних з термообробки у різних середовищах злитків із завеликим дефіцитом по мив’яку встановлено, що закон діючих мас для вакансій і в нерівноважних умовах є справедливим.

4. Механічні напруження б' в поперечному перерізу монокристалів НІН баАБ є стискуючими і в злитках з постійної по перерізу нестехіометрією зосереджені, головним чином, у периферійній кільцевій ділянці. Середні значення (? для різних кристалів складали 3-42 МПа. Н кристалах, де степінь нестехіометрії зростає від бокової поверхні до центру, максимальні напруження спостерігаються в центральній ділянці їх поперечного перерізу. _

Має місце суттєва кореляція міх собою залежностей <Ґ і від-

носної неоднорідності Іфл від степіні нестехіометрії кристалів (рис.З, (і),(2)), і не спостерігається їх кореляція із залежністю від нестехіометрії середньої по переріза густини дислокацій (рис.З, (3)).

Значення максимальних напружень (б'ки ) збільвуються з ростом градієнта Нгіі в периферійних ділянках монокристалів, причому в кристалах з дефіцитом галів залежність <5^*и (УМ) була біль» різною, ніж в кристалах з дефіцітом мив’яку.

Одержані результати свідчать про те, чо виміряні напруження в злитках НІН ЄаАз не є термопластичними (тобто обумовленими тільки полем напруження дислокацій), проте дислокаційна Структура впливає на їх формування. Другим фактором, який визначає механічні напруження, є нестехіометрія кристалів, а також неоднорідний розподіл біля дислокацій вакансій, обумовлений зарядовим станом останніх.

П’ятий розділ присвячений дослідженню особливостей формування неоднорідності люмінесцентних властивостей легованих кристалів арсеніду галію. Розглянутий вплив домішок II, ІІЇ и иі груп на характер та степінь неоднорідності фотолюмінесценції в об’ємі монокристалів, зроцених методом Чохральского. Досліджений вплив способу здобуття кристалів на неоднорідність їх випромінювання. Головні результати досліджень можна звести до наступного:

1. Спектральний склад ФЛ по перерізу кристалів не змінювався. Степінь та характер неоднорідності інтенсивності крайового випромінювання в злитках, легованих різними домішками, визначається неоднорідним розподілом густини дислокацій, а також концентрацією та хімічною природою цих домішок.

Характер розподілу інтенсивності крайової ФЛ (кореляція або антикореляція з розподілом гусини дислокацій) обумовлений тим, який тип вакансій ( або Цй5 ) є домінуючим в результаті впровадження домішки в одну із підрешіток Байз.

Розподіл інтенсивності довгохвильових смуг люмінесценції в поперечному перерізі легованих кристалів з різним доміиковим складом може мати М-. Н-, II- абоЛ- образний характер. Вид не-однорідности визначається типом і характером розподілу на фронті кристалізації вакансій, що входять до складу комплексних випромінювальних центрів, умовами формування останніх та характером нестехіометрії в монокристалах. (|

2. В монокристалах ЄаА$(5п) Сп=1*10 -6*10 см ) и 6аА5(Те)

І р „і

(п=(і-6)*10 см ) як з кореляцією, так і з антикореляцією Іфл

та М, спостерігається зменшення відносної неоднорідності інтенсивності крайової смуги люмінесценції із звільненням концентрації носіїв заряди. Значення с>Іфл/5Н<і і ступінь їх зменшення є більш високими в кристалах'з антикореляцієв в розподілах інтенсивності ФЛ і густини дислокацій порівняно з кристалами, де ці параметри корелвють (рис,4).

10 10 10 10 По, ро см

Рис.4, Залежність бІфл/НИсІ від концентрації носіїв заряду у кристалах Байз^п), ЄаАз£Те) з кореляцією (1) і антикореляцією (2) Іфл и Нй: а також в злитках БаАгШ) (3), Бай5(2п) (4).

Екстраполяція залежностей відношення 5"Іфл/^Иіі від концентрації злектронів для обох типів кристалів в зону більш високих концентрацій носіїв веде до пересічення прямих у точці із Г1-» =1*10 см, в якій 'НІфл/ДО ~0, тобто при цих рівнях легування дислокаційна структура практично не впливає на формування неоднорідності Інтенсивності власного випромінювання. Ця особливість залежностей $їфл/£И‘і збігається ? даними, а о одягані для яркс-г-зяа 6ай£< ігО і? ? 2.’5»і0°сй3. в якому £)Іфя/5К<1 »0.

Наявність £ злитках, легованих крупний. іонів доиіаки різних знаків обумовлвє більш високу (в~4 рази) степінь неоднорідності Іфл в них порівняно з кристалами, легованими телуром та оловом, цо мають тільки позитивно заряджені )3

іони домівки при такій самій концентрації злектронів (п~3*10 см ), Такий результат свідчить, що основною причиною підвищення однорідності люмінесцентних властивостей із зростанням концентрації носіїв заряду є вплив іонів легуючої домівки на афективність перерозподілу домінуючих вакансій.

3. Спектральний склад випромінювання в зпитаксіальних р-п структурах баАгШ) змінювався з їх товщиною. Як в п-, так і в р- шарах по вірі наближення до р-п переходу мало місце зміщення максимуме спектру випромінювання в довгохвильову зону та його розширення, що пов'язано із зміною параметрів "хвостів" щільності станів, які беруть участь у випромінювальних переходах -зростанням амплітуди и масштабів флуктуацій доміикового потенціалу в результаті збільшення степіні компенсації та збільиення внаслідок цього радіуса зкранування об’ємних зарядів, утворених Іонами домішки.

4. В досліджених р-п- структурах Н-образний характер розподілу N<1 успадкувався із підлоаці; середнє по їх площині значення густини дислокацій було нижчим, ні* в підлояці і збільшувалось по міре віддалення від неї, а степінь неоднорідності Нй - зменшувалась. Розподілення інтенсивності ФЛ и злектролюмінесценції по площині структур мало антикорелюючий з N(1 характер. Степінь відносної неоднорідности (ьІфл/5И<і збільиувалась по мірі наближення до поверхні структури.

Неоднорідність інтенсивності випромінювання в зпитаксіальних структурах, як і у монокристалах, здобутих методом Чохраль-ского, обумовлена впливом дислокацій і нестехіометрії. Особливості зміни Ніі по їх глибині зв’язані з релаксацією механічних напружень, які виникають при заповненні атомами кремнію вузлів решітки арсеніду галію.

На величину неоднорідності Іфл по площині структури також впливає товщина підлоаки. З ії зменаенням степінь неоднорідності випромінювання знижується, що викликано зменшенням радіального температурного градієнта, який виникає в підлоаці в процесі зпи-таксії.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ РОБОТИ.

1. Формування неоднорідності випромінювання в поперечному перерізу монокристалів арсеніду галію обумовлено неоднорідним розподілом густини дислокацій, степіню нестехіометрії кристалів 1 рівнем їх легування як при витяганні злитків з розплаву, так

і при рідиннофазній епітаксії.

2. Величина неоднорідності випромінювальних характеристик у поперечному перерізі кристалів напівізолюючого нелегованого арсеніду галію нетрівіально залеаить від степіні нестехіометрії.

9 стехіометричних кристалах розподілення Іфл однорідне. У крис-

талах з малою нестехіонетрієв неоднорідність випромінювання максимальна. По мірі звільнення нестехіометрії вона зменшується. Виявлені особливості пов’язані з перерозподілом заряджених вакансій галій та мии’яку під впливом дислокацій.

3. Збільшення рівня легування кристалів Gafts підвицує однонорідність їх люмінесцентних властивостей, цо пов’язано

із зростанням кулоновської взаємодії вакансій з іонами домівки.

4. Формування внутрівніх механічних напружень у монокристалах НІН Gafts визначається градієнтом густини дислокацій, нестехіо-метрією та нерівномірним розподілом заряджених вакансій галію

та миш’яку поблизу дислокацій.

Основні результати дисертації викладені в публікаціях:

1. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович ft.В., le-пель Л.Г. Формирование неоднородности остаточных напряжений в монокристаллах арсенида галлия. //Труди її Українськії конференції "Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу". - Ніжин. - і993. - С.163-184.

2. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович ft.В., Be-пель Л.Г. Роль нестехиометрии в формировании неоднородности люминесцентных свойств монокристаллов полуизолируючего нелегированного Gafis с различной плотностью дислокаций. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1994. -В.27. -С.68-73.

3. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б. Неоднорідність електрофізичних та структурних властивостей в світловипромінювальних р-n структурах. //Труди наукової конференції молодих вчених та студентів. - Киів, ДАЛПУ. - 1994. - С.37.

4. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Иепель Л.Г. Внутренние напряжения в монокристаллах полуизолируючего арсенида галлия.

// Известия PftH. Неорганические материалы. - 1995. - Т. 31,

N 2. - С.173-174.

5. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович А.В., 1е-пель Л.Г. Влияние дислокаций на однородность излучательных характеристик светодиодных р-n структур GaAs(Si). // Оптоэлектроника и полупрводниковая техника. - 1995. - В.29. - С.71-77.

6. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович А.В., Ве-пель Л.Г. , Неоднородность люминесцентных свойств монокристаллов полуизолируюцего нелегированного арсенида галлия с большим содержанием примеси углерода. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1995. - В.30. - С.104-107.

?. Kovalenko U.F., Litvinova M.B., Prokhorovich А.У. Photo-luoinescence and mechanical unhoaogene of semi-insulating GaAs. // Abstract booklet of International School-Conference ’’Physical problems in aaterial science of semiconductors. Chernivts -1995. - P.178.

8. Коваленко В.Ф., Литвинова Й.Б. Закономерности формирования примесно-дефектного состава монокристаллов полуизолиру-нщего нелегированного арсенида галлия. // Труды научно-практической конференции “Научно-технический прогресс в переходной ; период развития Украины." - Херсон, ХИИ. - 1995. - С.90.

9. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович А.В., 0е-пель Л.Г. Неоднородность люминесцентных свойств кристаллов арсенида галлия с различной концентрацией основных носителей тока. // Кристаллография. - 1996. - Т. 41, N 6. - С.1063-1065.

10. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович А.В., 1е-пель Л.Г. Неоднородность люминесцентных свойств монокристаллов полуизолирующего нелегированного арсенида галлия с различной нестехиоыетрией.1. // Оптозлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - В.31. - С.129-133.

11. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б.. Прохорович А.В.,. Семенов В.В., Иепель Л.Г., Шутов С,В. Неоднородность люминесцентных свойств монокристаллов полуизолирущего нелегированного арсенида галлия с различной нестехиометрией.й. // Оптоэлетроника и полупроводниковая техника. - 1996. - В.31. - С.133-136.

12. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Прохорович А.В., Ше-пель Л.Г. Внутренние напряяения в монокристаллах полуизолиру-нщего нелегированного арсенида галлия. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - вып.31. - С.136-140.

13. Коваленко В.Ф., Литвинова М.Б., Семёнов В.В. Фотолю-минесцентные свойства термообработанных кристаллов GaAs с большой нестехиометрией. // В сб. Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии. - Херсон, ХИИ. - 1996.- С.83-85.

ABSTRACT.

Litvinova М.В. Defects influence on unhomogeneity of the radiation properties and mechanical stress in galliui-arsenide monocrystals (manuscript).

The physics and matheaatical sciences candidate dissertation on spesiality 01.04.07 - solid state physics. Institute of Seiiconductors Physics, National Acadeey of Sciences of Ukraine, Kiev. 1997.

This work present the researchers of the eain conforeity to natural laws of the linear and point defects influence on the fornation of radiation and aechanical stress unhomogeneity in Gafts Ronocrystals, It «as establiched, the radiation properties unhoaogeneity are determined by the degree of unhomogene distribution of the dislocation density, the deflection froa the stoichiometry and inpurity consentration in the crystal. In the semi-insulating GaAs oonocrystals the inside aechanical stress are determined by the dislocation density gradient and the relationship between the consentration of the galliua and arsenide vacancies.

Keywords: Bonocrystal, gallium-arsenide, stoichiometry, dislocation density, unhoaogene distribution of the properties, vacancy consentration, radiation, mechanical stress.

АННОТАЦИЯ.

Литвинова М.Б. "Влияние дефектов на неоднородность излуча-тельних характеристик и механических напрявений в монокристаллах арсенида галлия" (рукопись).

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 1997.

Выполнены экспериментальные исследования основных закономерностей вчияния линейных и точечных дефектов на формирование макронеоднородности люминесцентный свойств и механических напряжений в монокристаллах арсенида галлия. Установлено, что неоднородность их излучательных характеристик определяется неоднородным распределением плотности дислокаций, степенью нестехиометрии кристаллов и уровнем их легирования как при вытягивании слитков из расплава, так и при жидкофазной эпитаксии. Внутренние механические напряжения в монокристаллах полуизолируищего нелегированного арсенида галлия определяются градиентом плотности дислокаций и соотношением концентраций вакансий мышьяка и галлия с учётом их зарядового состояния.

Ключевые слова: арсенид галлия, монокристалл, стехиометрия, неоднородное распределение свойств, плотность дислокаций, концентрация вакансий, излучение, механические напряжения.

АНОТАЦІЯ.

Літвінова М.Б. “Вплив дефектів на неоднорідність випромінювальних характеристик і механічних напружень в монокристалах арсеніду галію" (рукопис).

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04,07 - фізика твердого тіла. Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 1997.

Виконані експериментальні дослідження основних закономірностей впливу лінійних й точкових дефектів на формування макро-неоднорідності люмінесцентних властивостей і механічних напружень в монокристалах арсеніду галій. Встановлено, що неоднорідність їх випромінювальних характеристик визначається неоднорідним розподілом густини дислокацій, степіню нестехіометрії кристалів і рівнем їх легування як при витяганні злитків з розплаву, так і при рідиннофазній епітаксії. Внутріїні механічні напруження у монокристалах напівізолюючого нелегованого арсеніду галію визначаються градієнтом густини дислокацій і співвідноиенням концентрацій вакансій миш’яку та галію з урахуванням їх зарядового стану.

Ключові слова: арсенід галію, монокристал, стехіометрія, неоднорідний розподіл властивостей, густина дислокацій, концентрація вакансій, випромінювання, механічні напруження.