Актуальність теми
Національна академія наук україни
інститут фізики напівпровідників
Стрільчук Оксана Миколаївна
УДК 621.315.592
вивчення дефектних станів у напівізолюючому нелегованому арсеніді галію
01.04.07 фізика твердого тіла
автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у відділі фізико-технологічних основ сенсорного матеріалознавства Інституту фізики напівпровідників НАН України
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,
професор Глинчук Костянтин Давидович
Інститут фізики напівпровідників НАН України
головний науковий співробітник
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,
професор Корбутяк Дмитро Васильович
Інститут фізики напівпровідників НАН України
завідувач відділом №47
доктор фізико-математичних наук,
Брайловський Євген Юлійович
НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України
провідний науковий співробітник
Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченко, фізичний факультет
Захист відбудеться “ 15 ” червня 2001 р. о 1615 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України, 03028, Київ, проспект Науки, 45.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України, 03028, Київ, проспект Науки, 45.
Автореферат розісланий “ 15 ” травня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Охріменко О.Б.
Актуальність теми. Кристали напівізолюючого спеціально нелегованого арсеніду галію широко використовуються як матеріал для підкладинок при створенні на їх основі інтегральних схем. Якість інтегральних схем та відтворюваність їхніх характеристик істотно залежать від домішково - дефектного складу й однорідності фізичних властивостей підкладинок. Тому вивчення дефектних станів (домішок і дефектів гратки) та різних їх комплексів у напівізолюючому GaAs становить значний науковий і практичний інтерес. З наукового погляду це дає можливість одержати нові відомості про природу різних локальних центрів в арсеніді галію, про їх взаємодію між собою, вплив такої взаємодії на енергетичну структуру GaAs, а також про фундаментальні характеристики різних точкових дефектів у GaAs. З практичної точки зору дослідження дефектних станів дає важливу інформацію про процеси, які відбуваються у GaAs при дії зовнішніх дестабілізуючих факторів ( термообробка, хімічне осадження, іонна імплантація, радіаційне опромінення та ін.), що використовуються в технологічних процесах створення різних елементів сучасної електронної техніки, а також відкриває широкі перспективи розробки нових методів визначення вмісту домішок і дефектів у GaAs. Тому не дивно, що вивченню домішково - дефектного складу арсеніду галію останнім часом приділяється особлива увага.
Одним із найбільш простих та доступних, і разом з тим достатньо інформативним методом дослідження дефектних станів у напівізолюючому GaAs є люмінесцентний метод. Більшість домішок та дефектів у GaAs є центрами випромінювальної рекомбінації, тому, аналізуючи зумовлені ними спектри люмінесценції як функції різних параметрів (температури, енергії та інтенсивності збудження, ступеню легування), можна отримати інформацію про їх основні електрофізичні та оптичні характеристики. За допомогою цього методу при дослідженні дефектних станів у GaAs було отримано наукові результати, що становлять як пізнавальну, так і значну практичну цінність. Зокрема, встановлено природу більшості центрів випромінювальної рекомбінації, створених домішками, різними дефектами та їх комплексами у GaAs, визначено домінуючі схеми випромінювальних та безвипромінювальних електронних переходів, отримано ряд важливих результатів стосовно впливу різних зовнішніх факторів (термовідпал, іонна імплантація, хімічне осадження, травлення) на домішково-дефектний склад кристалів напівізолюючого GaAs. Значна увага приділялась вивченню дефектів, що утворюють глибокі донорні та акцепторні рівні у напівізолюючому GaAs.
Проте деякі принципово важливі аспекти до цього часу не були в достатній мірі з’ясованими. Сюди, наприклад, можна віднести дослідження впливу домішково-дефектної взаємодії на енергетичну структуру напівізолюючого GaAs, вивчення екситонно - домішкової взаємодії. Необхідні більш детальні дослідження для уточнення природи деяких центрів випромінювальної рекомбінації та факторів, що впливають на їх концентрацію. Широке використання термообробки для підвищення однорідності розподілу домішок та дефектів вимагає більш поглибленого вивчення спричинених термообробкою перетворень в домішково-дефектному складі кристалів напівізолюючого GaAs.
Існує багато методів визначення абсолютних концентрацій домішок (іонна масс-спектрометрія, іскрова та ін.), але значний інтерес становить розробка безконтактного, швидкодіючого та неруйнівного методу визначення концентрацій. І хоча люмінесценція кристалів GaAs досить давно використовується для ідентифікації домішок і дефектів, що містяться в досліджуваних зразках, важливо також визначати їх абсолютні концентрації. Таким чином, необхідні подальші розробки у використанні люмінесценції як кількісного методу визначення вмісту домішок у напівізолюючому GaAs.
Разом з тим, розвиток нових технологій і використання напівізолюючого GaAs для створення принципово нових пристроїв вимагає більш детального вивчення їх домішково-дефектного складу для кращого розуміння фундаментальних властивостей та оптимізації ростових та післяростових процесів. Викладене вище і обумовлює актуальність даної роботи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планами наукових досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України в рамках таких наукових тем:
1. “
Розробка наукових основ та перспективних технологій отримання однорідних напівізолюючих нелегованих кристалів арсеніду галію” (проект №4.3/293 Державного фонду фундаментальних досліджень ДКНТ України, 1996 –1998 рр.).
2. “
Розробка наукових основ перспективної технології отримання термостабільних напівізолюючих нелегованих кристалів арсеніду галію” ( проект 4.4/46 ДФФД Міннауки України, договір NФ4/313 -97, 1997 - 1999 рр.)
3. “
Розробка люмінесцентного методу контролю локального абсолютного вмісту фонових домішок та їх розподілу у сполуках А3В5 ” по науково-технічній програмі Мінекології України “Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів”, проект №2.16/27 - “Рівень” , 1995-2000 рр.
4.
“Комплексні дослідження впливу міждефектної взаємодії в кристалах Si, Ge, GaAs, КРТ і МРТ на кінетику електронних процесів в термодинамічно рівноважних і нерівноважних умовах” тема №30 ( затверджена постановою Бюро ВФА НАН України від 20.12.94 р., номер держреєстрації 0195U024512), 1994 -1999 рр.
5. “
Фізичні та фізико-технічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної техніки”, тема №830 (затверджена постановою Бюро ВФА НАН України, протокол №12 від 11.11.99 р.), 1999-2002 рр.
Мета і задачі дослідження. Виявлення взаємодії дефектних станів (зумовлених залишковими домішками та дефектами гратки) між собою і з екситонами, та з’ясування дії на них термообробки по особливостям перебігу випромінювальної рекомбінації нерівноважних носіїв струму в напівізолюючому GaAs. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:
n
дослідити вплив різних дефектних станів на особливості домішкової та крайової фотолюмінесценції кристалів напівізолюючого GaAs при різних рівнях збудження у широкому температурному діапазоні (4.2 77 К );
n з’ясувати вплив міждефектної взаємодії на енергетичну структуру напівізолюючого GaAs;
n дослідити взаємодію мілких залишкових домішок з екситонами ;
n дослідити вплив домішки вуглецю на концентрацію дефектних станів, створених вакансійними дефектами у напівізолюючому GaAs ;
n з’ясувати вплив термообробки і її тривалості на дефектні стани кристалів напівізолюючого GaAs ;
n визначити природу центру , що зумовлює появу смуги випромінювання з hm =1.5133 еВ;
n вивчити можливості практичного використання низькотемпературної фотолюмінесценції для визначення концентрацій мілких залишкових домішок та розробка експресного методу оптичної діагностики напівізолюючого GaAs;
n розробка теоретичних моделей для аналізу отриманих експериментальних результатів.
Об’єктом дослідження є процес випромінювальної рекомбінації нерівноважних носіїв струму на дефектних станах, зумовлених залишковими домішками та дефектами гратки у напівізолюючому GaAs.
Предметом дослідження у даній роботі було обрано кристали напівізолюючого спеціально нелегованого арсеніду галію.
Методи дослідження. Основним експериментальним методом досліджень був фотолюмінесцентний метод. Вимірювання спектрів фотолюмінесценції кристалів напівізолюючого спеціально нелегованого GaAs з різним вмістом мілких залишкових домішок проводились у широкому температурному діапазоні та різних рівнях збудження. За допомогою комп’ютерного моделювання з використанням прикладних програмних пакетів MathCad, Origin та WinSpectrum проведений чисельний аналіз і співставлення розрахунків з отриманими експериментальними результатами, а також розкладання складних експериментальних спектрів фотолюмінесценції на окремі складові.
Наукова новизна одержаних результатів. В результаті експериментальних та теоретичних досліджень вперше було отримано ряд нових наукових результатів.
1.
Виявлено, що в напівізолюючому GaAs спостерігається значна взаємодія дефектних станів, результатом якої є концентраційне розширення акцепторних рівнів, які вводяться вуглецем, та утворення акцепторної домішкової зони.
2.
Визначено природу центру, відповідального за появу смуги випромінювання з положенням максимуму hm=1.5133 еВ, що спостерігається в напівізолюючому арсеніді галію. Він являє собою екситонно-домішковий комплекс іонізований мілкий донор –екситон.
3.
Виявлено, що в напівізолюючому GaAs спостерігається значна взаємодія мілких залишкових домішок вуглецю та кремнію з вільними екситонами, яка приводить до підвищення ефективності випромінювальної рекомбінації вільних екситонів з меншою енергією.
4.
Встановлена стимульована взаємодією домішки вуглецю з дефектами гратки генерація дивакансій галію. Отримана залежність між концентрацією вуглецю і концентрацією дивакансій галію та запропонована модель, що пояснює цю залежність.
5.
Встановлено, що термообробка кристалів напівізолюючого GaAs при 900С протягом 20 - 90 хв приводить до істотних змін їх домішкового складу, зокрема, до підвищення концентрації акцепторів і немонотонної зміни концентрації донорів, а також до посилення екситонно-домішкової взаємодії внаслідок підвищення загального вмісту електрично активних домішок у кристалі при такій термообробці.
6.
Розроблено безконтактний фотолюмінесцентний експресний метод визначення кількісного вмісту вуглецю, цинку та кремнію в напівізолюючому GaAs, що базується на визначенні співвідношення інтенсивностей домішкової і крайової смуг люмінесценції.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що в дисертації отримана нова інформація про домішково-дефектну та екситонно-домішкову взаємодію в напівізолюючому GaAs, визначено вплив тривалості відпалу на домішково - дефектний склад, а також уточнена природа деяких центрів рекомбінації, що має важливе значення для поліпшення якості матеріалу, який використовується при виготовленні високоякісних інтегральних схем.
Запропоновано експресний, безконтактний та неруйнівний метод визначення кількісного вмісту вуглецю, кремнію та цинку в напівізолюючому GaAs, який може бути використаний як у промисловості, так і в науково-дослідних лабораторіях.
Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження, математична обробка результатів та формулювання висновків виконані здобувачем самостійно. Постановка задач, обговорення результатів, їх теоретичний аналіз були проведені спільно з науковим керівником. Всі наукові положення , висновки та рекомендації сформульовані автором особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були представлені на Міжнародній конференції “Оптична діагностика матеріалів та приладів опто-, мікро- і квантової електроніки” ( Україна, м. Київ, 1997 р.), II Міжнародній конференції “ Фізичні проблеми у напівпровідниковому матеріалознавстві” (Україна, м. Чернівці, 1997 р.), 22-nd Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (Germany, Zeuthen, 1998), 43 International Scientific Colloquium (Germany, Ilmenau, 1998), IV International conference - OPTDIM’99 “Optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro- and quantum electronics” (Ukraine, Kiev, 1999), 23 Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (France, Chantilly, 1999), E-MRS 1999 Spring Meeting (France, Strasbourg,1999), IX Міжнаціональній нараді “Радиационная физика твердого тела” (Україна, м.Севастополь, 1999 р.), VII Российской конференции “Арсенид галлия” (GaAs - 1999) (Росія, Томськ, 1999 р.), IIIrd International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Україна, м. Чернівці, 1999 р.).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 10 статтях у фахових журналах і збірниках та в 2 тезах доповідей на міжнародних конференціях.
Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, дев’яти розділів, висновку та списку використаних літературних джерел, що містить 114 найменувань. Повний обсяг дисертації складається з 179 сторінок, в тому числі 48 рисунків і однієї таблиці.
основний зміст роботи
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, викладено її мету, сформульовані задачі досліджень, вказані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, зв’язок роботи з науковими програмами інституту. Обгрунтовано вибір об’єктів і методів досліджень, викладено наукову новизну і практичну цінність роботи, приведено дані про апробацію результатів досліджень та структуру дисертації.
Перший розділ присвячено огляду літературних джерел з наукового напрямку роботи. Особлива увага зосереджена на роботах, присвячених аналізу дефектних станів у арсеніді галію, створених домішками, рекомбінація через які відбувається з випромінюванням фотонів, екситонно-домішкових комплексів та обумовлених ними смуг люмінесценції, впливу різних типів термообробки на домішково-дефектний склад, а також огляду оптичних методів визначення домішкового складу напівізолюючих нелегованих кристалів арсеніду галію.
У другому розділі приведено методику дослідження дефектних станів у напівізолюючих спеціально нелегованих кристалах арсеніду галію та основні характеристики зразків, які були використані при виконанні даної роботи. Приведено схему експериментальної установки, що забезпечувала проведення вимірів спектрів фотолюмінесценції досліджуваних зразків у широкому температурному діапазоні ( Т=4.2 – 77 К).
У третьому розділі проведено теоретичний аналіз електронних переходів за участю ізольованих акцепторів та донорно-акцепторних пар у GaAs. Запропоновано схему, яка враховує можливість переходів на акцепторний рівень як вільних, так і локалізованих носіїв струму. Отримано аналітичні вирази для інтенсивностей міждомішкової Ida та домішкової Ica смуг люмінесценції при різних співвідношеннях між концентраціями акцепторів Nа і донорів Nd.
Встановлено, що при певних співвідношеннях між концентраціями донорів і акцепторів ( Nd Nа ) величина Ida визначається не тільки імовірностними характеристиками донорно-акцепторних переходів, але й імовірністю захоплення вільних електронів акцепторами, а інтенсивність домішкової люмінесценції Ica визначається не тільки імовірностними характеристиками переходів вільний електрон - акцептор, але і концентрацією донорів, заповнених фотоелектронами. У цьому випадку може спостерігається нетривіальне зростання Ica з температурою.
Проаналізовані теоретичні вирази Ida і Ica для малих і великих концентрацій донорів і акцепторів. Розраховані теоретичні залежності Ida і Ica від концентрацій нерівноважних електронів і дірок при різних температурах та співвідношеннях між концентраціями донорів і акцепторів .
Проведене порівняння отриманих в роботі експериментальних залежностей Ida, Ica = (T,L) з теоретичними, і встановлено, що в досліджуваних кристалах напівізолюючого GaAs реалізується випадок, який відповідає високим концентраціям донорів і акцепторів з виконанням співвідношення Na >> Nd .
Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу взаємодії залишкових мілких домішок на енергетичну структуру напівізолюючого GaAs. У широкому температурному діапазоні ( Т=4.8-77 К) експериментально була досліджена форма ( положення максимуму hm та напівширина w) зумовленої переходами вільних електронів на атоми вуглецю домішкової смуги люмінесценції і проведене її порівняння з теоретично очікуваною.
При проведенні порівняльного аналізу експериментальних і теоретичних спектрів була використана загальноприйнята теоретична модель, що описує випромінювальні переходи вільних електронів на ізольовані мілкі акцептори, згідно з якою при низьких концентраціях донорів і акцепторів кожен акцептор можна розглядати як ізольований атом, що утворює в забороненій зоні локальний рівень з енергією іонізації a (не перекриваються ні силові поля акцепторів, ні хвильові функції дірок, локалізованих на них, ні силові поля акцепторів і донорів). Встановлено, що вигляд залежності w =(Т) відрізняється від теоретичного при низьких (Т 25 К) і близький до теоретично розрахованого при високих (Т 35 К) температурах. В усьому температурному діапазоні спостерігається узгодження експериментальних і теоретичних залежностей hm =(Т). З аналізу залежностей величин hm і w для досліджуваної смуги фотолюмінесценції від концентрації атомів вуглецю NC і фонових донорів Nd встановлено, що значення hm близькі до очікуваних теоретично у всьому діапазоні значень NC і Nd. Однак величини w близькі до теоретичних лише в слабко легованих кристалах. У кристалах напівізолюючого GaAs з концентраціями NC , Nd 1015 – 1016 см-3 величини w значно вищі. Для пояснення отриманих експериментальних залежностей нами було зроблене припущення, що в досліджуваних кристалах напівізолюючого GaAs атоми вуглецю не є ізольованими. При відносно високих концентраціях акцепторів і (чи) донорів відбувається перекриття електричних полів ізольованих акцепторів і електричних полів, створюваних безладно розташованими іонізованими донорами і (чи) акцепторами, тобто виникнення флуктуацій домішкового потенціалу. Наслідком впливу електричних полів флуктуацій на нейтральні атоми вуглецю є розширення створюваних ними рівнів, тобто утворення акцепторної домішкової зони з напівшириною wh . Ця зона характеризується спектром близько розташованих дискретних акцепторних рівнів (хвильові функції дірок на них залишаються локалізованими) з різними енергіями іонізації a1, a2... ai і щільностями станів h(ai) [h = hmax при ai = а]. У цьому випадку спектральна інтенсивність випромінювання, зумовленого переходами вільних електронів в акцепторну домішкову зону буде визначатися не тільки енергетичним розподілом вільних електронів n(), але й енергетичним розподілом локалізованих на акцепторних рівнях дірок ph(ai). Проведено аналіз отриманих співвідношень для різних температур. При низьких температурах (T 0 К) вигляд спектра фотолюмінесценції буде визначатися лише енергетичним розподілом рівнів в акцепторній домішковій зоні h(ai), тобто низькотемпературні величини Ica будуть відображати розподіл щільності станів в акцепторній домішковій зоні. Виявлено, що експериментальний спектр домішкової люмінесценції при низьких температурах задовільно може бути описаний кривою Гауса, тому можна припустити, що щільність акцепторних рівнів у домішковій зоні кристалів GaAs теж буде виражена розподілом Гауса.
З підвищенням температури відбувається температурне розширення розглянутої смуги люмінесценції, пов'язане в основному з відповідними змінами енергетичного розподілу електронів у зоні провідності. При високих температурах зазначене температурне розширення спектра випромінювання може істотно перевищувати напівширину вуглецевої смуги люмінесценції, що спостерігається при низьких температурах. Тому при високих температурах ( T 35 К) вигляд розглянутого вуглецевого спектра буде майже цілком визначаться температурним розширенням, що і підтверджується експериментальними даними.
П'ятий розділ присвячений аналізу електронних переходів в екситонно-домішкових комплексах та встановленню природи центру, що зумовлює появу смуги люмінесценції з положенням максимуму hm=1.5133 еВ при Т=4.2 К. Проведено детальний аналіз і уточнені деякі особливості екситонної люмінесценції в напівізолюючому GaAs: напівширина екситонних смуг люмінесценції, залежності положень максимумів випромінювання й інтенсивностей смуг екситонної люмінесценції від інтенсивності збудження і температури.
Досліджувані спектри екситонної люмінесценції при 4.2 К зумовлені анігіляцією вільних Х та зв'язаних з дефектами d2X , d3X, мілкими нейтральними акцепторами A0X і нейтральними донорами D0X екситонів, а також смугою люмінесценції з максимумом випромінювання hm =1.5133 еВ, природа якої не зовсім однозначна. Виявлено, що напівширини всіх досліджуваних екситонних смуг люмінесценції, що спостерігаються, трохи вищі, ніж отримані в особливо чистих епітаксійних шарах GaAs. Відомо, що кристали напівізолюючого GaAs містять відносно високі концентрації безладно розташованих заряджених донорів і акцепторів, що приводить до появи флуктуацій домішкового потенціалу, тобто виникненню внутрішніх електричних полів. Ці поля можуть істотно змінювати енергію іонізації акцепторів і приводити до утворення акцепторної домішкової зони. Зв'язування екситонів акцепторами з різними енергіями іонізації а безперечно буде приводити до істотного розширення смуги ФЛ, зумовленої екситонно-домішковими комплексами A0X.
Отримано експериментальні залежності інтенсивностей екситонних смуг люмінесценції від рівня збудження L при низьких (Т=4.2 К) температурах. Їх можна розподілити на 2 типи. У спектрах 1-го типу співвідношення між інтенсивностями окремих екситонних смуг не змінювалися, а сама залежність носила квадратичний характер: , I1.5133 , L2. Для спектрів другого типу характерне перетворення їх вигляду зі зміною L, а залежність їх інтенсивності від рівня збудження має вигляд I Lm, де m =1.4 2. Для аналізу експериментальних даних запропоновані загальні теоретичні співвідношення для інтенсивностей , ,, і . Вигляд залежностей інтенсивностей екситонних смуг люмінесценції від L визначають залежності n, р =(L), а також співвідношення між величинами n і р. Показано, що при лінійній рекомбінації надлишкових електронів і дірок [n, р L, a , , (L)] , , , L2, а . При нелінійній рекомбінації електронів і дірок [n(L) L, р(L) L і , , = (L)] , , , L+ , а L або L (в залежності від співвідношення між величинами n і р).
У досліджуваних екситонних спектрах напівізолюючого GaAs спостерігалася смуга люмінесценції з максимумом h m=1.5133 еВ ( її інтенсивність I1.5133). Згідно з літературними даними, однозначного трактування природи цієї смуги люмінесценції немає. Для з'ясування природи центрів, відповідальних за її виникнення, проведено порівняльний аналіз експериментальних залежностей інтенсивностей смуг люмінесценції при Т= 4.2 К для , а також , і від рівня збудження. Показано, що залежності, які спостерігаються в напівізолюючому арсеніді галію для смуги люмінесценції з положенням максимуму hm = =1.5133 еВ, можуть бути спричинені лише випромінювальною анігіляцією зв'язаних екситонів D+X, а не рекомбінацією вільних дірок на нейтральних донорах D0.
У шостому розділі розглянута взаємодія залишкових мілких домішок вуглецю С та кремнію Si з вільними екситонами і вплив цієї взаємодії на положення максимуму і напівширину крайової смуги люмінесценції.
При дослідженні низькотемпературної ( 77 К) фотолюмінесценції напівізолюючого GaAs було виявлено, що положення максимуму і напівширина крайової смуги фотолюмінесценції може істотно змінюватися при варіації концентрації залишкових мілких домішок С та Si. Виявлено, що з ростом сумарної концентрації NC + NSi положення максимуму крайової смуги монотонно зміщується в область низьких енергій, а напівширина w – монотонно збільшується. Для зразків з мінімальним (NС 5 1015 см-3, NSi 2 1015 см-3) і максимальним (NС 2.5 1016 см-3, NSi 1 1016 см-3) вмістом домішок проведені детальні дослідження крайової люмінесценції. Встановлено, що підвищення концентрації цих домішок приводить до зміщення максимуму випромінювання крайової смуги люмінесценції hm від 1.5082 еВ до 1.5070 еВ, і збільшення її напівширини w (в основному, за рахунок зміщення низькоенергетичного краю) від 5.69 меВ до 9.17 меВ. Оскільки форма спектрів крайової фотолюмінесценції не залежить від інтенсивності збудження, то виявлені зміни не можуть бути пов'язані з екситон-електронною взаємодією. Встановлено, що зміщення положення максимуму смуги крайової фотолюмінесценції у низькоенергетичну область і її розширення при збільшенні концентрації мілких домішок спричинене відповідним зміщенням у область низьких енергій положення максимуму екситонної смуги фотолюмінесценції і її розширенням. Цей ефект імовірніше всього пов'язаний з наступним. Відомо, що форма смуги фотолюмінесценції, зумовленої випромінювальною анігіляцією вільних екситонів, істотно залежить від їх взаємодії з тепловими коливаннями ґратки і домішками, що дозволяють виконати закон збереження імпульсу при рекомбінації зв'язаних електронів і дірок. Тому варто очікувати, що збільшення вмісту домішок підвищить імовірність випромінювальної анігіляції вільних екситонів з випромінюванням квантів світла з енергією h < hm, приводячи тим самим до зміщення в низькоенергетичну область положення максимуму екситонної смуги фотолюмінесценції і до істотного збільшення її напівширини.
У сьомому розділі приведені результати дослідження впливу вмісту вуглецю в напівізолюючому GaAs на концентрацію дивакансій галію.
При дослідженні спектрів низькотемпературної ( Т=4.2 К) екситонної люмінесценції напівізолюючого GaAs у деяких зразках спостерігалася смуга люмінесценції з положенням максимуму випромінювання 1.5099 еВ. Ця смуга обумовлена випромінювальною анігіляцією екситонів, зв'язаних на дефектах d – дивакансіях галію (VGa)2 , що утворюють глибокі акцепторні центри з енергією іонізації a =68 меВ. Інтенсивність цієї смуги Id Ndnp. Збільшення її величини свідчить про збільшення концентрації дивакансій галію. Для зразків з різною концентрацією атомів вуглецю були виміряні інтенсивності Id . Концентрацію дивакансій галію Nd можна обчислити, використовуючи величину Id або співвідношення Id /IХ , де IX np – інтенсивність люмінесценції вільних екситонів. У першому випадку Id Ndnp, і тому, що np =const, Nd IdХ . У іншому випадку Nd Id /IХ. Встановлено, що збільшення концентрації вуглецю приводить до надлінійного (Nd ) підвищення концентрації дивакансій галію. Хоча обидва способи дають практично однаковий результат, для визначення Nd краще використовувати відношення Id /IХ , тому що в цьому випадку можна застосовувати відносні значення Id і IХ .
Запропоновано механізм, що пояснює стимульоване вуглецем збільшення концентрації дивакансій галію. Відомо, що кристали арсеніду галію, крім ізольованих вакансій галію і миш'яку, можуть також містити і різні їхні комплекси, зокрема, комплекси різнойменних дивакансій (VGaVAs)2. Послідовне заповнення мігруючими атомами вуглецю вакансій миш'яку, що входять до складу комплексів (VGaVAs)2 , приводить до помітної генерації під час росту кристала спочатку вакансій, а потім і дивакансій галію (VGa)2. Очевидно, зміна концентрації останніх при варіації вмісту вуглецю відбувається за законом Nd ~ .
Восьмий розділ присвячено дослідженню впливу термообробки при 900 С протягом 20-90 хв на домішково-дефектний склад напівізолюючого GaAs. Виявлено, що зазначений термічний вплив істотно змінює спектри низькотемпературної ( 4.2 та 77 К) фотолюмінесценції невідпалених зразків. У домішковій області спектру значно зменшується інтенсивність смуги люмінесценції, зумовленої випромінювальною рекомбінацією вільних електронів на атомах вуглецю, асоційованих з залишковими донорами (асоціатами Д0С0 ). Інтенсивності смуг фотолюмінесценції, зумовлених рекомбінацією вільних електронів на ізольованих атомах вуглецю і донорно-акцепторних парах SiGaCAs , практично не змінюються. Ці зміни в домішковому спектрі пов'язані з руйнуванням при термообробці асоціатів атом вуглецю залишковий донор, причому концентрація ізольованих атомів вуглецю, що утворилися в результаті цього процесу, невелика в порівнянні з їх початковою концентрацією. Тому термообробка кристалів практично не змінює інтенсивності смуг фотолюмінесценції, індукованих парами SiGaCAs та ізольованими атомами вуглецю. В екситонній області спектра люмінесценції спостерігаються такі зміни. Виявлено, що збільшення часу термообробки приводить до монотонного збільшення інтенсивності низькотемпературної (Т=4.2 К) фотолюмінесценції, зумовленої зв'язаними екситонами А0X, і немонотонних змін ( спочатку до зниження, потім зростання) інтенсивності фотолюмінесценції, обумовленої зв'язаними екситонами D0X. Ці зміни пояснюються зростанням концентрації мілких акцепторів, що входять до складу комплексу А0X і немонотонною зміною концентрації мілких донорів, що входять до складу комплексу D0X унаслідок їхньої активації і пасивації при термообробці.
Отримано залежності положення максимуму і напівширини смуг низькотемпературної (Т=77 К) фотолюмінесценції, обумовленої анігіляцією вільних екситонів Х, від часу термообробки. Виявлено, що збільшення часу термообробки приводить до немонотонного зміщення в низькоенергетичну область положення максимуму (спочатку зниженню від 1.5088 до 1.507 еВ, а потім зростанню від 1.507 до 1.508 еВ) і немонотонної варіації напівширини (спочатку зростанню від 6 до 7 меВ, а потім зниженню від 7 до 6 меВ) цієї смуги. Це пов'язано з посиленням екситонно-домішкової взаємодії внаслідок підвищення загального вмісту електрично активних домішок (зокрема, концентрації мілких акцепторів) при термообробці (див. розділ 6).
Дев'ятий розділ присвячений розробці фотолюмінесцентного методу визначення концентрації домішок у кристалах.
Показано, що в ряді випадків відношення інтенсивностей домішкової смуги люмінесценції Ica (обумовленої випромінювальною рекомбінацією вільних електронів на акцепторах) і смуги фотолюмінесценції, обумовленої випромінювальною анігіляцією вільних екситонів IХ або анігіляцією вільних електронів і дірок Icv, виключає роль безвипромінювальних каналів рекомбінації, тому результат цього відношення буде Na , тобто, відношення інтенсивностей домішкової і крайової (Ica / Icv ), а також домішкової і екситонної (Ica / IХ ) смуг фотолюмінесценції залежатимуть лише від концентрації мілких акцепторів Na і не будуть залежати від часів життя надлишкових електронів n і дірок р та інтенсивності збудження. Вимірюючи спектри фотолюмінесценції у кристалах з відомою концентрацією мілких акцепторів можна отримати калібровочні залежності N = (Ica / IХ) чи N = (Ica / Icv ). Це дозволить визначати концентрацію мілких акцепторів , вимірюючи інтенсивності Ica, IХ або Icv .
Проведено детальний аналіз низькотемпературних ( 4.2 К та 77 К) спектрів фотолюмінесценції кристалів напівізолюючого GaAs, що містять відомі концентрації мілких домішок С, Zn і Si. Запропоновано загальні аналітичні вирази, що визначають інтенсивності Ica, IХ і Icv при будь-яких температурах. Отримано співвідношення, що зв'язують інтенсивності досліджуваних смуг люмінесценції з відомими концентраціями домішок.
Використання методу низькотемпературної фотолюмінесценції для визначення кількісного вмісту мілких фонових домішок при 4.2 К вимагає ряду спрощень, тому що врахування усіх факторів, що впливають на інтенсивність і форму домішкової і крайової смуг люмінесценції, робить цей метод громіздким і малоперспективним. Отримано калібровочні залежності Ica / (IХ)0.5 Nа для Zn, C і Si, які потребують вимірювання абсолютних значень інтенсивностей Ica та IХ ( що є не зовсім вдалим). Внаслідок прийнятих у даному методі наближень точність визначення концентрації залишкових домішок у напівізолюючому GaAs зазначеним методом при 4.2 К виявилася досить низькою ( 50%).
Використання даного методу при Т=77 К дозволило одержати більш прості співвідношення для визначення концентрації мілких домішок у кристалах напівізолюючого GaAs по вимірюваних інтенсивностях фотолюмінесценції при будь-яких співвідношеннях між величинами n і р і їх залежності від L. При Т= 77 К спектр фотолюмінесценції кристалів напівізолюючого GaAs істотно спрощується (внаслідок термічного гасіння деяких смуг). Для визначення концентрації домішок С (NC), Zn (NZn ) і Si (NSi ) отримано калібровочні залежності Ica/Ii = (N), в яких можна використовувати відносні значення інтенсивностей. Встановлено лінійну залежність між зміною нормованих інтенсивностей домішкових смуг люмінесценції і концентраціями цих домішок. Математично калібровочні залежності для кожної домішки можна представити у вигляді
NC, NZn = (5.7 1.7) 1016 см—3; NSi = (4.6 1.4) 1017 см—3.
Висновки
1.
Встановлено, що в кристалах напівізолюючого спеціально нелегованого GaAs в результаті взаємодії домішок між собою та дефектів виникає розширення акцепторних рівнів та утворення акцепторної домішкової зони, що знаходить відображення в спектрах люмінесценції напівізолюючого GaAs. При низьких температурах (Т 25 К) спостерігається істотна відмінність форми смуги фотолюмінесценції, індукованої переходом вільних електронів на акцепторні рівні, що вводяться вуглецем, від теоретично очікуваної. Це пов'язано з концентраційним розширенням цієї смуги, а співпадання при високих температурах ( Т 35 К) - зі збільшенням середньої енергії вільних електронів. Запропонована модель випромінювальних переходів вільний електрон - вуглецева домішкова зона, яка задовільно пояснює температурні зміни форми розглянутої смуги фотолюмінесценції, що спостерігаються, зокрема, варіації положення максимуму та її напівширини.
2.
Виявлено, що в кристалах напівізолюючого GaAs спостерігається екситонно-домішкова взаємодія, внаслідок якої екситон віддає частину енергії домішкам. Результатом цієї взаємодії є зміщення положення максимуму крайової смуги низькотемпературної (77 К) фотолюмінесценції в область низьких енергій і збільшення її напівширини при збільшенні вмісту залишкових домішок вуглецю і кремнію. Встановлено, що це пов'язано в основному з розширенням екситонної складової крайової смуги фотолюмінесценції внаслідок підвищення ефективності випромінювальної рекомбінації вільних екситонів з меншою енергією при їх взаємодії з домішками вуглецю і кремнію.
3.
Визначена природа центрів, що зумовлюють появу смуги випромінювання з положенням максимуму 1.5133 еВ. Доведено, що ця смуга в кристалах напівізолюючого GaAs зумовлена випромінювальною анігіляцією екситонно-домішкових комплексів D+X ( екситонів, зв'язаних із мілкими іонізованими донорами), а не рекомбінацією вільних дірок на мілких донорах.
4.
Встановлено, що збільшення вмісту вуглецю в кристалах напівізолюючого GaAs приводить до росту концентрації дивакансій галію за законом NdNC2, що пов'язано з заповненням атомами вуглецю вакансій миш'яку, які входять до складу комплексу дивакансія миш'яку - дивакансія галію.
5.
Встановлено, що термообробка кристалів напівізолюючого GaAs при 900С пртягом 20 до 90 хв приводить до істотних змін в домішковому складі кристалів під час відпалу, які пов’язані : а) із зниженням концентрації асоціатів атом вуглецю - залишковий донор унаслідок їхнього руйнування при прогріві; б) зі збільшенням концентрації мілких акцепторів внаслідок їхньої активації під час термообробки; в) з немонотонною зміною концентрації мілких донорів унаслідок їхньої пасивації й активації при прогріві. Завдяки підвищенню загального вмісту домішок при термообробці у кристалах GaAs спостерігається посилення екситонно-домішкової взаємодії.
6.
Запропоновано неруйнівний метод визначення концентрації мілких домішок вуглецю, кремнію та цинку в напівізолюючому GaAs, що базується на лінійній залежності відношення інтегральної інтенсивності домішкової і крайової смуг від концентрації зазначених домішок. Отримано калібровочні залежності, що дозволяють визначити вміст вуглецю, кремнію та цинку в кристалах напівізолюючого GaAs .
7.
Встановлено, що вплив випадкових полів безладно розташованих донорів і акцепторів на вільні екситони і екситонно-домішкові комплекси приводить до збільшення напівширини смуг екситонної люмінесценції в кристалах напівізолюючого GaAs. Виявлено, що в кристалах напівізолюючого GaAs при низьких температурах спостерігаються різні залежності інтенсивностей екситонних смуг люмінесценції від рівня збудження (I ~ Lm, де m =1.3 2). Це значною мірою пов'язане з тим, що в досліджуваних кристалах можуть спостерігатися істотно відмінні залежності концентрацій нерівноважних електронів і дірок від інтенсивності збудження.
8.
Отримано теоретичні співвідношення для інтенсивностей домішкової та міждомішкової смуг люмінесценції, що враховують дефект акцепторного типу, на який можливі переходи як вільних, так зв’язаних електронів.
Основні результати дисертації викладено в таких публікаціях:
1.
Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н., Шепель Л.Г. Об использовании низкотемпературной фотолюминесценции для анализа примесного состава кристаллов полуизолирующего нелегированного GаАs // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника .- 1996. -вып.31.- С.150-155.
2.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н., Кияшко С.Д., Шепель Л.Г. Определение концентрации легкоионизируемых примесей в полуизолирующих нелегированных кристаллах GaAs из анализа низкотемпературной (77 К) фотолюминесценции // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника .- 1997. -вып.32.- С.61-71.
3.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Определение концентрации углерода в полуизолирующих нелегированных кристаллах GaAs из анализа низкотемпературной (77 К ) фотолюминесценции // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника .- 1998. -вып.33.- С.204-212.
4.
Glinchuk K.D., Litovchenko N.M., Prokhorovich A.V., and Strilchuk O.N. Analysis of the Low-temperature (77 K) near-band-edge Luminescence in Undoped Semi-insulating GaAs // phys.stat.sol.(b) .- 1999. -V.213.- P.233-241.
5.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Анализ зависимостей интенсивностей обусловленных углеродом полос люминесценции в GaAs от температуры и интенсивности возбуждения // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника .- 1999. -вып.34.- С.42-56.
6.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Стимулированное углеродом увеличение концентрации дивакансий галлия в полуизолирующих нелегированных кристаллах арсенида галлия // Физика и техника полупроводников .- 2000.- т.34.- вып.5.- С.530-532.
7.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Влияние термообработки на люминесценцию полуизолирующих нелегированных кристаллов GaAs // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника .- 2000. -вып.35. – С.37-48.
8.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Влияние термообработки на люминесценцию полуизолирующих нелегированных кристаллов GaAs // Физика и техника полупроводников .- 2000.- т.34.- вып.11.- С.1311-1315.
9.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Анализ экситонной люминесценции полуизолирующих специально нелегированных кристаллов арсенида галлия // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника .- 2000. -вып.35.- С.176-189.
10.
Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Прохорович А.В., Стрильчук О.Н. Анализ формы полосы люминесценции, обусловленной переходами свободных электронов на атомы углерода в полуизолирующих нелегированных кристаллах GaAs // Физика и техника полупроводников .- 2001.- т.35.- вып. 4.– С.396-402.
11.
Glinchuk K.D., Litovchenko N.M., Prokhorovich A.V., and Stril’chuk O.N. Determination of the concentration of shallow acceptors in semi-insulating GaAs by low temperature (77 K) photoluminescence // Proceedings of SPIE. - 1998. - V.3359.- P.244-249.
12.
Glinchuk K.D., Litovchenko N.M., Prokhorovich A.V., Stril’chuk O.N. Characterization of Residual Carbon in Undoped Semi - Insulating GaAs by Low Temperature (77 K) Photoluminescence // Proc. 43th International Scientific Colloquium. - Ilmenau (Germany).- 1998.- P.588-593.
Стрільчук О.М. Вивчення дефектних станів у напівізолюючому нелегованому арсеніді 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, 2001.
Дисертація присвячена вивченню дефектних станів, створюваних залишковими домішками та дефектами гратки, їх взаємодії між собою і з екситонами, та впливу цієї взаємодії на енергетичну структуру напівізолюючого спеціально нелегованого арсеніду галію.
Експериментально показано, що в напівізолюючому GaAs спостерігається значна взаємодія дефектних станів (домішок між собою та з дефектами гратки, домішок з вільними екситонами). Визначена роль домішки вуглецю в утворенні дивакансій галію. Отримана залежність між концентрацією вуглецю і концентрацією дивакансій галію та запропонована модель, що пояснює цю залежність. Доведено, що смуга випромінювання з положенням максимуму h=1.5133 еВ зумовлена випромінювальною рекомбінацією екситонно-домішкового комплексу іонізований мілкий донор – екситон.
Встановлено вплив термообробки кристалів напівізолюючого GaAs при 900С протягом 20 - 90 хв на домішковий склад досліджуваних зразків, зокрема, підвищення концентрації акцепторів і немонотонну зміну концентрації донорів .
Запропоновано безконтактний експресний метод визначення кількісного вмісту вуглецю, цинку та кремнію в напівізолюючому GaAs.
Ключові слова: дефектні стани, міждефектна взаємодія, екситон, екситонно-домішкова взаємодія, фотолюмінесценція, напівізолюючий нелегований арсенід галію.
Стрильчук О.Н. Изучение дефектных состояний в полуизолирующем нелегированном арсениде галлия. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2001.
Диссертация посвящена изучению дефектных состояний, создаваемых остаточными примесями и дефектами решетки, их взаимодействию между собой и с экситонами, и влияния этого взаимодействия на энергетическую структуру полуизолирующего специально нелегированного арсенида галлия. Основным экспериментальным методом было исследование спектров фотолюминесценции кристаллов полуизолирующего GaAs с разным содержанием легкоионизируемых примесей в широком температурном диапазоне и разных уровнях возбуждения.
Установлено, что в кристаллах полуизолирующего GaAs происходит взаимодействие примесей друг с другом и c дефектами. Результатом такого взаимодействия является возникновение акцепторной примесной зоны. Это находит отражение в спектрах люминесценции кристаллов полуизолирующего GaAs. При низких температурах ( Т25 К) наблюдается существенное отличие экспериментальной и
