Влияние связанных экситонов на фотоэлектрические свойства фосфида галлия, легированного азотом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

•¿,'4 л 1 У у

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

На правах рукописи

Внис Мурад Бадрахан

ВЛИЯНИЕ СВЯЗАННЫХ экситонов НА ФОТОЭЛЕКГШЧЕСНИЕ СВОЙСТВА 50СЩА ГАЛЛИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО АЗОТОМ

Специальность: 01.04.10 - Физик, ^.проводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском г.осударственнои электротехническом университете.

Научный руководитель - доктор физико-математических нау профессор Пихтин А.Н.

Научный консультант - кандидат физико-математических . наух доцент Попов В.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Барыбин А.А

кандидат физико-математических наук ст.научи.сотр.

Саенко И.В.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный технический университет

ч

Защита диссертации состоится 1992 г.

/ час. О О мин. на заседании специализировавшего советв К 063.36.10 Санкт-Петербургского государственного университе та по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, д.Е

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институт

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета С^*^) Окуне в Е.Т.

Г 0Уг'(. (-., - -. _ . ^дг!

Б^ы^.'У')¿ХА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хорошо известно, что кситонные эффекты оказывают существенное, в ряде случаев -пределяпцее влияние на оптические эффекты в полупроводниках, [омимо свободных экситонов, способных свободно перемещаться га кристаллу и тем самым переносить энергию возбуждения, воз-южно образование связанных экситонов. Такие экситоны могут ¡бразовываться на различного рода дефектах в полупроводниках, га наиболее эффективно их образование происходит на изоэлек-ронных ловушках. Классическим примером такой ловушки является азот в фосфиде галлия. Принято считать, что связанные ^еитоиы локализованы, т.е. привязаны к одному центру н не гагут переносить возбуждение (энергии) в кристаллах, и потому ;е могут оказывать заметное влияние на фотоэлектрические яв-:ения в полупроводниках. Данные, полученные в настоящей рабо-е, показывают, что это не так по крайней мере для экситонов, :вязанных на азоте в фосфиде галлия.

В качестве объекта исследований в работе был выбран фос-ид галлия, легированный азотом

), что обусловлено

[есколькими причинами. Во-первых, благодаря широкому применено 6оР в оптоэлектронике его технология хорошо отрабо-■ана и позволяет получать высококачественные кристаллы, эпи-1 аксиальные слои и структуры, пригодные для проведения тонких мзических измерений. Во-вторых, зонная структура и оптичес-ие свойства . беиР изучены достаточно полно,'чтсТ ' позволяет вдежно интерпретировать данные фотоэлектрических измерений. Ргретьих, излучательная рекомбинация экситоное^ связанных ка ломах азота в фосфиде галлия, является основным'■ механизмом гсминесценции в зеленых 6аР -светодиодах, поэтому их изуче-ие имеет важное прикладное значение.

Целью работы являлось выяснение влияния лота на фотоэлектрические свойства фосфида галлия, определе-те механизмов образования фототока в области связанных на лоте экситонов и применение полученных результатов для соз-[ания селективных фотоприемников.

»

Научная н о в и 8 н а работы состоит в:

- экспериментальном наблюдении низкотемпературной фотоцрово' димости в области & - и Ы^ -даший связанных экситонов компенсированном фосфиде галлия и увеличении эффекта по не ре увеличения степени компенсации (легирования) материала;

- выяснении механизма образования фототока в области лини .'связанных экситонов в ба.Р:М -р-п-переходах;

- доказательстве возможности эффективного переноса возбужден ния (энергии) экситонами, связанными на иэоэлектронных ло вушках в полупроводниках.

Практическая ценность работы ва ключается в следующем: '

- показано, что эффективное расстояние переноса возбужден» связанными экситонами в 6аР:Ы может превышать диффузирн ные длины для свободных носителей заряда и достигат 10...20 мкм;

- фотоэффект на связанных экситонах в 6аР и 6а Лб1хР)С может быть применен для создания селективных фотоприемни ков с узкими спектральными характеристиками в видимой об ласти спектра.

Совокупность представленных в диссертации вхсперймен талыщх данных позволяет сформулировать следующие н а у ч ные положения, выносимые на защиту:

1. Экситоны, связанные на иэоэлектронных ловушках в по лупроводниках, могут играть существенную роль в формировали спектров фотоответа р-п-переходов и фотопроводимости.

2. Основным механизмом образования фототока в р-п-пере ходах на основе баР.-Ы в области линий связанных экснтопс является их миграция к р-п-переходу и дальнейшая диссоциацк в поле объемного заряда.

3. Фотопроводимость в области Л„-и ЬДО^ -линий евяааг ных экситонов при низких температурах определяется их распг дом в поле заряженных примесей.

Апробация результатов работ« Основные результаты диссертационной работы докладывались обсуждались на научных семинарах ЛЭТИ и ЭТИ им.А.Ф.Иоффе,

■arate на научно-технических-конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного >лектротехнического университета (1984, 1991 гг.).

Публикации. По результатам работы опубликова-ш две статьи, из них одна - в журнале "Физика й техника по-гупроводников".

Структура и объем диссерта-3 и и. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклвче-шя и списка литературы, включающего 50 наименований. Основная часть работы изложена на ¿46 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы. Сформулирована цель работы, научная новизна, практическая значимость и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных представлены основные свойства фосфида галлия. Основное внимание уделено особенностям зонной структуры и оптическим явлениям в 0О,Р. Приведены данные по оптическому поглощенно, люминесценции и фотоэлектрическим свойствам 6аР в области свободных и связанных экситонов. Особое внимание уделено энситонаи, связанным на изозлектронных ловушках. Показано, что азот в фосфиде галлия может служить югассичсстггч объектои для изучения свойств связанных экситонов з полупроводниках.

Во второй главе описаны характеристик! исследованных образцов, методики создания омических коктг?т:тоз и р-п-переходов, приведены их электр!гчес1ше свойства, описана методика экспериментов и особенности экспериментальных установок.

Исследовались р-п-переходы, полученные различными методами как на основе объемных монокристаллов, так и эпитавси-альных слоев. Использовались два типа объемных кристаллов фосфида галлия: полученные методом бестигельной зонной плав-

ки и методом Чохральского. Содержание азота в этих образца не превышало 5*10^ см-3, а в отдельных случаях находилось и уровне (3.. .5) • I015 см"3. Образцы фосфида галлия с концентра цией азота выше 10*® см , а также твердые, растворы

GaJis. р„ были получены газофазной эпитаксией на подлоа ках баР , выращенных методом Чохральского. Концентрация азота в кристаллах и эпитаксиальных слоях определялась с по мощью специально развитой методики по оптическому поглощении

Р-п-переходы создавались или путем диффузии или в про цессе выращивания эпитаксиальных слоев. Диффузионные р~п~пе реходы получались методом диффузии цинка в п-тип Gap 6aJls>j.xPx . В качестве диффузанта использовался i&vP^ Исследовались также диоды, выращенное методом двойной жидко-фазной эпитаксией. Часть исследованных образцов была получе на наращиванием слоя р-типа на эпитансиальный слой п-типа ме тодоы газофазной эпитаксии. При этом было возможно легировав азотом или р- или п-область или обе части р-п-перехода. Фоте проводимость исследовалась как на объемных монокристаллах,пс лученных методом Чохральского, с малым содержанием азот! (<5-10*® см ), так и на эпитаксиальных слоях, выращенш на подложках фосфида галлия методом' газофазной эпитвксю Концентрация азота в эпитаксиальных пленках GcuP была бол) во 10*® см"3. Концентрация азота в подложках нэ превышала Ю17 см"3.

Оиичзские контакты к образцам изготавливались с испол! зованиеы лазерной технологии. Контакты к 6аР и 6а Jle>lxP п-типа создавались вплавлением олова, и к р-типу - цинка.Пр: ыенение лазерной технологии исключало нагрев объема полупр водника за время создания контакта.

Установка для определения спектральных зависимостей ф тоцроводимости и фототока короткого залыканил р-п-переход была изготовлена на базе светосильного монохроматора • ЫДР-Источн!1коы излучения служила галогенная лампа накаливани Разрешающая способность по энергии была не хуге 2 мэВ в ди пазоне 1,8.,,2,8 эВ. Перед измерениями производилась граду ровка системы монохрокатор-источкик по спектральному расщ

[елению мощности излучения. •

При проведении измерений образцы помещались в металли-геский криостат. Регистрация фототока короткого замыкания >-п-переходов производилась как на постоянном токе с исполь-юванием вольтметра-электрометра Б7-30, так и на переменном -«етодом синхронного детектирования. Как в вентильном, так и в [ютодиодном режимах работы диодов выходной сигнал был пропорционален фототоку короткого замыкания. При обработке экспери-«ентальных результатов величина сигнала на выходе регистрирующего устройства относилась к числу падающих фотонов.

Спектры фотопроводимости измерялись методом синхронного детектирования..В ходе измерений контролировалась форма люкс-адперной характеристики, которая для большинства образцов быта близка к линейной.

Третья глава посвящена исследованию спектров фототока короткого замыкания р-п-переходов на основе фосфида галлия и твердых растворов баЛ&^Р,, как в области собственного поглощения, так и в области экситонов, связанных на атомах азота.

Спектральные характеристики р-п-переходов на основе фосфида галлия достаточно хорошо описываются общим выражением цля внутреннего квантового выхода (коэффициента собирания):

-ь

¥й1н) + > (I)

где: V/ - глубина залегания р-п-перехода, с1 - ширина об ласти объемного заряда, и - диффузионные длин электронов и дырок, соответственно, сС - коэффициент погло щения.

Величина 1». определяется как:

где: S - скорость поверхностной рекомбинации, D^- ко эф фициент диффузии для электронов.

. В р-области диффузионных р-п-переходов присутствует по стоянное тянущее поле & , которое при экспоненциальном рас цределении примесей равно

е, КГ i

L ® ---i— '

с

Коэффициент К в выражении для квантового выхода связан X. и L^ выражением: • .

При малых значениях коэффициента поглощения оС , когf , oCL^ , o6w , oíd I, зависимость ^ от оС имее

вид:

А)]. (2)

В этой случае величина квантового выхода линейно зависит от коэффициента поглощения. Поэтому спектральная зависимость квантового выхода в длинноволновой части, по существу, повторяет ход коэффициента поглощения.

В спектрах фототока короткого замыкания р-п-переходов на основе 0о£ , специально не легированных азотом, отчетливо проявлялась как тонкая структура, обусловленная непрямыми оптическими переходами в экситонные состояния, связанные с X-хинимумом зоны проводимости, так и Лм-линия, появление которой в спектре связано с наличием в исходном фосфиде галлия остаточного азота в концентрации ~4-10^ Существование

'фототока в области экситонных переходов, в том числе и связанных, предполагает наличие процессов диссоциации, при которых образуются свободные носители заряда. Можно предположить, что механизм образования фототока в области экситонных переходов в р-п-переходах с малым содержанием азота связан с распадом экситонов в р- и п-областях и последующей диффузией неосновных носителей к области объемного заряда. Это подтверждается тем, что спектральные характеристики р-п-переходов хорошо описывались выражением С 2) при величинах и , одинаковых как в области оптических переходов на дискретные экситонные состояния, в том числе и связанные, лежащие в запрещенной зоне, так и в области, где образуются свободные электроны и дырки ( >Е„ ). Амплитуда фототока в максимуме Л„-линии связанных на единичных атомах азота экситонов п

в области температур 80...50К практически не зависела от температуры.

При большом содержании азота в баР ( Ым > 10 сы )

фототок в области Лм плинии имеет аномально большую величину и превосходит максимальное значение фототока в области собственного поглощения (рис.1) при низких температурах. Если формально воспользоваться выражением (I), то "диффузионные длины" в области поглощения на связанных экситонах будут больше, чем и \л для свободных носителей заряда.

при двух температурах

Наиболее вероятным механизмом образования фототока в области • Ян -лиши для образцов с содержанием азота >10*® см-3 является миграция связанных экситонов к р-п-переходу с последующей диссоциацией в области объемного заряда, где напряженность электрического поля достигает величины 10^ В/см. Анализ спектральных характеристик р-п-переходов при Т < ЮОК показывает, что передача возбуждения происходит на расстояния, пре-вышащие 10 мкм. Кроме Лм-линии в спектрах фототока отчет-

лнво проявлялись при низких температурах ЫМ3 , ГШ^я

NN5 линии экситонов, связанных на парах атомов азота, с энергией связи 143, 64, 39 и 31 мэВ, соответственно.

Сравнен.:' спектров р-п-переходов 6аР:М при различных комбинациях легирования п- и р-областей (обе области легированы азотом, только п-область легирована азотом и только р-область легирована азотом) показывает, что п- и р-области вносят одинаковый вклад в общий фототок в области Л^ плинии. Таким образом, миграция связанных экситонов определяется только присутствием азота в фосфиде галлия (при концентрациях больше 10*® см-3) и не зависит от типа проводимости полупроводника.

Исследование спектральных характеристик диодов на основе 6аР: N с различной глубиной залегания р-п-переходов показало, что при комнатной температуре фототок в области Ан -линии не превосходит фототок в области собственного поглощения при любых значениях глубины залегания р-п-перехода от 6 до 20 мкм. Иная картина наблюдалась при 80К. Для образцов с глубиной залегания.больше б мкм фототок в максимуме Л.м-яи-нии превосходил фототок в области-собственного поглощения. Чем больше была глубина, тем больше становилось отношение фототока в «Лм -линии к собственному фототоку в максимуме. Этот экспериментальный результат подтверждает различие в эффективных диффузионных длинах,как феноменологических параметров, входящих в (I) при в максимуме Л м -линии и максимуме

собственного фототока. Эффективная "диффузионная длина" для связанного экситона должна превосходить, по нашим оценкам, 10 мкм. Различие "диффузионных длин" должно предполагать й и различие механизмов образования фототока в области ^ли-

нии и собственного поглощения. Таким образом, проведению эксперименты непосредственно подтверждают, что при низких температурах в _ 6аР:Ы -р-п-переходах с концентрацией азота больше 10 см механизм образования фототока связан с гш-грацией связанного экситона к области объемного заряда и его диссоциацией в электрическом поле р-п-перехода.

Методика исследования экситонов, связанных на изозяек-

тронных примесях, опробованная на фосфиде галлия, была применена и к твердым растворам ÖCl, Ль^ Рх. При изменении состава ба- Ji.sl xPx (от х = I) Лы-лишц связанного на азоте экситона уширяется и сдвигается в область меньших энергий. Уширение линии связанных экситонов в «верных растворах является неоднородным и обусловлено неодинаковым окружением атомов азота, приводящим к сдвигу и расщеплению экситонных уровней. Кроме -линии при 0,9 i х < I в спектрах фототока отчетливо проявлялись линии, связанные с парами атомов азота. Измерения при низких температурах ( <I20K) показали, что интенсивность этих линий, лежащих ниже бесфононной компоненты, не изменялась. Поэтому они не являются фононными повторениями Лн-линии. По энергетическому положению они также не могут определяться экситонами, связанными на нейтральных донорах. Наблюдаемые линии могут бить связаны с экситонами на NH -парах атомов азота.

В четвертой главе представлены результаты исследования фотопроводимости в монокристаллических слоях 6аР , легированных азотом.

Во всех исследованных образцах с содержанием азота больше 10*® см"3 в спектрах фотопроводимости (El) проявлялась характерная структура, обусловленная Лм -линией связанного на азоте экситона. В спектрах 01 образцов, специально не легированных азотом, как при комнатной температуре, так и при Т = =х 80К подобная структура не проявлялась. Характер проявления

Л -линии в различных образцах был различен и определялся, в первую, очередь, толщиной легированного азотом эпитаксиаль-ного слоя (рис.2). При больших толщинах эштаксиального слоя в области Лм-линии в спектрах fffl при Т < I00K • наблюдался провал, величина которого уменьшалась при уменьшении толщины слоя от 40 до 10 мкм (рис.2, кривая I). При толщине меньше 10 мкм подобный провал в спектрах ® отсутствовал (рис.2,кривая 4). Эксперименты, проведенные на одном и том же образце при последовательном уменьшении толщины эштаксиального слоя, показали постепенное уменьшение величины провала до полного его исчезновения.

ция (ТДИф=513°С); 3 - сильная компенсация (Тдиф=675°С), Величина <А указывает толщину эпнтаксиального слоя

Кроме толщины эпитаксиального слоя на вид спектров Ш существенно влияла степень компенсации образцов. Компенсация исходных образцов фосфида галлия п-типа проводилась нами путем диффузии меди с последующей "разгонкой". Ео всех компенсированных медью образцах провал в области ЛN-линии отсутствовал (рис.2, кривые 2,3). В образце с наибольшей степенью компенсации (Т^ф = 675°С), кроме фотоэффекта в области -линии, отчетливо проявлялся фотоэффект на NN¿ и NN 3 -линиях, энергия связи экситона на-которых примерно на порядок больше, чем для Лк-линии.

Полученные экспериментальные результаты по исследованию спектров Ш подтверждают предположение, высказанное в третьей главе, о том, что в р-п-переходах на основе сильно легированного азотом фосфида галлия при низких температурах механизм образования фототока связан с миграцией связанных экситонов в р-п-переходу с последующей их диссоциацией в области объемного заряда. Во-первых, провал в области Лн -линии, связанный с нефотоактивным поглощением, присутствовал в образцах с толщиной более 10 мкм. Это указывает на то, что не все связанные экситоны, образовавшиеся в объеме полупроводника, диссоциировали на свободные "носители заряда. Часть из них, не дошедшая до границы раздела Ga,P;N - подложка, аннигилировала либо излучательно, либо безызлучательно. И только тогда, когда "диффузионная длина" связанных экситонов была больше толщины эпитаксиального слоя, большинство из них достигало границы раздела,и в области <ЛМ -линии отсутствовал провал в спектрах ÍO. Таким образом, можно утверждать, что эффективная передача возбуждения связанными экситонами осуществляется на расстояния, превышающие 10 мкм, что подтверждает результаты, приведенные в третьей главе.

Во-вторых, компенсация медью усиливала эффект. Действительно, процесс образования свободных носителей заряда при распаде связанного экситона можно стимулировать при помощи хаотического поля примесей, которое создается при компенсации полупроводника. При этом образование свободных носителей происходит в объеме полупроводника, и провал в -линии должен

отсутствовать даже в образцах с толщиной эпитаксиального слоя 40 ыкм, что и наблюдалось экспериментально.

Суммируя результаты третьей и четвертой глав, могло утверждать, совокупность экспериментальных результатов указывает на возможную эффективную миграцию связанных на изо-электронных ловушках экситонов в полупроводниках и на их фотоактивный распад в хаотическом поле пршесей или на разного рода неоднородностях, создающих сильные электрические поля.

В пятой главе рассмотрено применение фотоэффекта на связанных экситонах в баР и ба Л.^1хРх для создания селективных фотоприекников.

Фотодиоднке структуры для этих целей создавались как методом жидкофазной эпитаксии, так и методом диффузии цинка в фосфид галлия, полученный газофазной эпитаксией. К,подложке, на которой выращивались эпитаксиальные слои, предъявлялось дополнительное требование - малое содержание в-ней,* азота ( NM < Ю16 см-3). Обычно использовалась подложка толщиной 200...300 мим. Толщины р- и п-областей р-л-перехода, ' легированного адотом, лежала з пределах 5...15 мкм.

При освещении фотодиодной структуры со стороны подложки область спектральной характеристики существенно сужается.Подлодка, специально нелегированная азотом, играла роль фильтра, который пропускает излучение в области -линии и поглощает излучение с энергией 1ги) Спектральные характеристики таких фотоприемников совпадают с контуром линии поглощения экситона, связанного на азоте (рис.3, кривая I). Е2 ширина на уровне 0,5 ст максимальной чувствительности составляет 18 нм. Аналогичная величина для этого же диода при освещении со стороны эпитакснельного слоя составляла 80...100 км (рис.3, кривая 2).

Структуры на основе GaJIs. Pv соэдагались ют о леи диффузии цинка в материал, полученный газофазной гпитаксязГ. на подложках GaP . Для того, чтобы отфильтровать излучэккэ с энергией квантов больпе сирины запрещенной зоны, вводился дополнительный слой ОсиЛ^1чхРх толщиной 20.,.40 мкм, примыкающий к подложке и специально нелегированный азотом. Спс-н-

I, 3, 4 - освещение со стороны подлояки; 2 - освещение со стороны эпитаксиаяьного слоя; х; I и 2 - I; 3 - 0,85; 4 - 0,65

тральные характеристики фотодиодов на основе ÖaJis^P,, приведены на рис.3 (кривые 3 и 4). С уменьшением х спектры уширяются и сдвигаются в область меньших энергий. Полуширина спектральной характеристики изменялась от 18 нм при х = I до 32 ни n£i х = 0,65, а максимум сдвигался от 550 нм для х = в I до 617 нм при х = 0,65.

В з а- к л ю ч е н и и сформулированы основные выводы,-полученные в результате проведенной работы, которца сводятся к следующему:

1. На примера фосфида галлия, легированного азотом, експериментально доказана возможность эффективного переноса возбуждения (энергии) экситонами, связанными на иаоэлектрон-шсс ловушках в полупроводниках.

2. В спектрах низкотемпературной фотопроводимости фосфи-

да галлия, легированного азотом, обнаружен фотоответ в области Л..- и ЫЫ? -линий связанных экситонов. Показано, что

N Л*

эффект определяется распадом связанных экситонов в поле заряженных примесей. Экспериментально наблюдалось увеличение' эффекта по мерз увеличения степени компенсации (легирования) материала.

3. Показано, что основным механизмом образования фотото-» аа в р-л-переходах на основе баР:N в области линий связанных экситонов является их миграция, к р-п-переходу и дальнейшая диссоциация в поле объемнЬго заряда.

4. Показано, что эффективное расстояние переноса возбуждения связанными экситонами в баР: N может превышать диффузионные длгаш для свободных носителей заряда и достигать 10...20 мкм*

5. На оейове баР-.Ы и 6аЛб1_жРх созданы экспериментальные образцы селективных фотоприемников с узкими спектральными характеристиками в видимой области спектра.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Попов В.А., Юнис М.Б. Фотопроводимость фосфида галлия, легированного азотом. - Д.: ДЭТИ, 1985. - С. 19-22. - (Изв. Ленингр.электротехн.ин^та; Вып.350).

2. Плхтлн А.Н., Попов В.А., Енис Н. Фотоэффект, индуцированный эффектом Штерна на связанных эяситонах в баР: N // ЭШ. - 1988. - Т.22, * б. - С. 1107-1108.