ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
Глава 1. Эпитиаксиальные и ионнолегированные структуры на основе фосфида галлия 10
1.1 Фосфид галлия и свойства р-п-переходов на его основе. 10
1.2 Р-п-переходы, полученные эпитаксиальным наращиванием и ионным легированием.. 16
1.3 Анализ методов определения параметров центров безызлучательной рекомбинации. 21
1.4 Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования. 23
Глава 2. Стационарные и термостимулированные процессы, сопровождающие измерение емкости. 26
2.1. Характеристика образцов для исследования. 26
2.2 Методики и погрешности измерения распределения концентрации примесей вблизи р-п-перехода. 29
2.3 Результаты емкостных измерений и расчеты профилей концентрации. 35
2.3.1 .Эпитаксиальные структуры. 35
2.3.2. Ионнолегированные структуры. 38
2.4Термостимулированная генерация с глубоких уровней 0113 в р-п-переходах без накопления заряда (партия 1). 40
2.5 Изменение заполнения ловушек в близи середины запрещенной зоны в ОПЗ ионнолегированных р-п-переходов с накоплением заряда (партия
2). 45
2.6 Заключение к главе 2. 50
Глава 3. Рекомбинационные процессы в эпитаксиальных /?-л-переходах 51
3.1 Вольтамперныс характеристики эпитаксиальных р-п-переходов при малом уровне инжекции. 51
3.2. Анализ температурных зависимостей рекомбинационных токов
при малом уровне инжекции. 58
3.3. Анализ приведенной скорости рекомбинации и ее температурных зависимостей. 63
3.4.Определение параметров рекомбинационных процессов методом дифференциальных преобразований вольтамперной характеристики. 68
3.4.1. Определение параметров центров рекомбинации по дифференциальному показателю наклона ВАХ. 68
3.4.2 Метод, основанный на разделении производной приведенной скорости рекомбинации dR^ (U)/dU на составляющие. 72
3.4. Электролюминесценция эпитаксиальных и ионно-легированных структур фосфида галлия. ™
3.5. Заключение к главе 3.
Глава.4. Рекомбинационные процессы в ионно-легированных структурах. 80
4.1. Вольтампсрные характеристики ионно-легированных переходов при малом уровне инжекции. 80
4.2. Анализ возможной многозарядности центров рекомбинации в ионнолегированных образцах. 87
4.3. Моделирование процессов туннельной рекомбинации в ионнолегированных образцах. 94
4.4. ВАХ эпитаксиальных и ионно-легированных переходов при высоком уровне инжекции 106
Глава 5. Изучение неоднородностей в ионно-легированных р-п-переходах. 110
5.1 Методы электронной микроскопии. ПО
5.2 Вторичная электронная эмиссия. 111
5.3 Метод наведенного тока. 112
5.4 Расчет распределения носителей вблизи дислокации. 119
5.5. Экспериментальное определение диффузионной длины, времени 129
жизни неравновесных дырок и их скорости рекомбинации на дислокации.
3
Выводы в диссертации Список работ автора диссертации Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Ионное легирование является важным инструментом создания полупроводниковых приборов. Разработан ряд методов и приемов осуществления данных процессов. Для соединений группы А3В5 актуально легирование бериллием. Этот элемент создает высокую концентрацию мелких акцепторных состояний и в связи с этим является перспективным для изготовления мелкозалегающих р-слоев, к которым легко создать высококачественный омический контакт. Эти оба обстоятельства, а именно: хороший омический контакт и тонкий слой с акцепторной
проводимостью делают подобные структуры перспективными с точки зрения создания оптоэлсктронных приборов.
Одним из важных направлений развития оптоэлектроники является создание фотоприемников на основе широкозонных полупроводниковых материалов. В сочетании с тонким полупроводниковым слоем, прилегающим к поверхности, такие приемники являются эффективными в ультрафиолетовой области спектра.
В данной работе изучаются приемники излучения на основе фосфида галлия, изготовленные методом ионного легирования бериллием. Однако первым требованием для приемника излучения является низкий уровень темновых обратных токов. Это вызывает необходимость более подробного изучения механизмов переноса носителей заряда в обратносмещеиных ионнолегированных структурах.
Ионное легирование приводит к интенсивному дефектообразованию, как первичному, в процессе которого образуется ансамбль простых собственных точечных дефектов, так и вторичному, при котором из первичных дефектов и примесей образуются комплексы. Высокая плотность дефектов при ионном легировании приводит к образованию сложных, ассоциированных образований типа кластеров, а также дислокаций.
В данной работе изучаются механизмы переноса носителей заряда в ионно-легированных бериллием р-п-переходах на основе фосфида галлия. В силу процессов первичного и вторичного образования исследуемые структуры
стали пространственно неоднородными. Механизмы протекания тока в таких структурах становятся комплексными. Подобные структуры в научной литературе исследованы еще недостаточно. В то же время понимание физических процессов в них позволит расширить знания в области оптоэлектроники и конструирования оптоэлектрониых приборов. Для того, чтобы выявить особенности, связанные именно с ионным легирование, параллельно исследуются аналогичные структуры, выращенные методом жидкофазной эпитаксии. В целом работа направлена на повышение качества оптоэлектронных приборов, и тема работы в настоящее время актуальна.
Целью работы является изучение механизмов переноса тока в пространственно неоднородных ионно-легированных р-п-переходах на примере фотоприемников, изготовленных на основе фосфида галлия, легированного бериллием.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
изучаются особенности интерпретации результатов измерений вольт-фарадных и термостимулированных характеристик эпитаксиальных и ионнолегированных структур;
проводится сопоставительный анализ процессов переноса тока в эпитаксиальных и ионно-легированных струюгурах, моделируются возможные альтернативные механизмы переноса тока в пространственно-неоднородных структурах;
изучаются механизмы формирования контрастов наведенного тока; определяются свойства объектов, их формирующих, и сопоставляются с результатами, полученными из электрических измерений.
Новые научные результаты:
1. Показано, чго в ионно-легированных структурах в интервале энергий 1.0-1.1 эВ, отсчитанных от зоны проводимости, имеется высокая плотность локальных состояний, средняя концентрация которых (10|?см3) превосходит концентрацию технологических примесей (З*1015см'3). Наличие данных
глубоких ловушек приводит к эффектам накопления заряда, которые необходимо учитывать при обработке емкостных характеристик структур. Подобные состояния в эпитаксиальных структурах отсутствуют.
2. Разработана новая модель заполнения ловушек у середины запрещенной зоны и алгоритмы получения параметров глубоких центров, опирающиеся на анализ данной модели.
3. Показано, что в ионно-легированных структурах прямые и обратные вольт-амперные характеристики обусловлены токами туннельной рекомбинации с участием локальных состояний у середины запрещенной зоны. В это же время в эпитаксиальных структурах эти же характеристики связаны с рекомбинацией в области пространственного заряда.
4. Исследование контрастов наведенных токов показывает, что ионнолегированные структуры являются пространственно-неоднородными. Скорость рекомбинации возрастает вблизи макроскопических дефектов, обусловленных кластерами точечных дефектов, которые в частности могут скапливаться вблизи дислокации.
Результаты, имеющие практическую ценность:
1. Методами термостимулированной емкости, рекомбинационной спектроскопии, а также путем исследования туиельно-рекомбинационных процессов и температурных зависимостей функции заполнения ловушек у середины запрещенной зоны определены параметры основных глубоких ловушек в ионно-легированных и эпитаксиальных структурах, в том числе концентрации, энергии термической активации, коэффициенты захвата электронов и их отношения.
2. Разработан алгоритм определения концентрации, энергии активации и отношения коэффициентов захвата ловушек, расположенных у середины запрещенной зоны и одновременно обменивающихся электронами и дырками как с зоной проводимости, так и с валентной зоной. Данный алгоритм апробирован при исследовании антиструктурных дефектов в фосфиде галлия.
3. Разработан метод определения параметров глубоких уровней на основе анализа токов туннельной рекомбинации и апробирован на основе исследования дефектов в ионно-легированных структурах.
4. Разработаны модели и алгоритмы анализа контрастов наведенных токов в пространственно неоднородных структурах.
Положения, выносимые на защиту:
1. Ионное легирование фосфида галлия бериллием приводит к появления высокой концентрации дефектов у середины запрещенной зоны в интервале энергий 1.0-1.1 эВ, отсчитанных от дна зоны проводимости.
2. Высокая плотность локальных состояний у середины зоны ионнолегированных структур приводит к эффектам накопления заряда, которые оказывают влияние на результаты емкостных измерений.
3. Вольт-амперные характеристики эпитаксиальных структур обусловлены рекомбинацией в области пространственного заряда через центры с энергиями активации 0.25, 0.35, 0.55 и 0.65 эВ.
4. Локальные состояния у середины запрещенной зоны приводят к появлению токов туннельной рекомбинации, которые формируют прямые вольт-амперные харакгерисгики и обуславливают появление избыточных образных токов.
5. Глубоколсжащие ловушки скапливаются в макроскопические дефекты, обуславливающие пространственную неоднородность в области, непосредственно прилегающей к переходу.
Апробация работы: По материалам диссертации были представлены тезисы и доклады на следующие конференции: Всероссийский симпозиум «Растровая электронная микроскопия и аналитические методы исследования твердого тела», (Черноголовка, 1997), Международная конференция «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах» (г. Ульяновск, 1997), Международная конференция «Оптика полупроводников», (г.Ульяновск.
2000), Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии», (г.Ульяновск, 2001, 2002).
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов достигнута проведением измерений апробированными методиками на автоматизированных информационных комплексах, укомплектованных новой аттестованной измерительной аппаратурой, согласием экспериментальных результатов и теоретических моделей развитых в ходе работы, согласием основных результатов, полученных в работе, с данными других исследователей.
Личное участие автора. В диссертационной работе изложены результаты полученные как лично автором, так и в соавторстве. Все экспериментальные результаты работы, расчеты и обработка результатов получены и выполнены автором самостоятельно. Научным руководителем оказана помощь в интерпретации некоторых экспериментов и разработке модели туннельной рекомбинации.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи и 7 тезисов докладов, опубликованных в сборниках трудах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 147 листах, содержит 40 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 122 наименований.
*
#
9
ГЛАВА 1. ЭПИ ГИАКСИАЛЬНЫЕ И ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ
1.1 Фосфид галлия и свойства р-п-переходов на его основе.
В настоящее время фосфид галлия уступил свое место в качестве излучателя для видимой области спектра, которое он занимал в полупроводниковой оптоэлектронике. С ним успешно конкурируют тройные твердые растворы соединений А^В^. В первую очередь нитриды алюминия и индия [1-4]. Однако он остается прекрасным модельным материалом, на котором можно изучать особенности дефсктообразования, общие для соединений А^В^. Преимуществами фосфида галлия являются достаточно большая ширина запрещенной зоны (£'^=2,27эВ при 300К), налаженные методы выращивания и
легирования кристаллов и эпитаксиальных пленок, относительное удобство регулирования концентрации электрически и оптически активных примесей [5].
Локирование фосфида галлия изоэлекгронной примесью азота приводит к появлению эффективного канала излучательной рекомбинации, обусловленного рекомбинацией экситонов на одиночных и парных атомах азота. Благодаря уникальному сочетанию большой силы осциллятора и малой глубины ловушки, азот является наиболее подходящей примесью в вызывающей
люминесценцию в желто-зеленой области спекгра [6].
За последние несколько лет в отечественной технологии изготовления светодиодов из СаР:№ методом двухслойной жидкостной эпитаксии произошел существенный прогресс. Концентрацию азота в акгивной рекомбинационной области удалось увеличить до (4-6)101^см-3, а содержание остаточных примесей - уменьшить до (1-3)-1()16см'3. Была усовершенствована также конструкция светодиодов. В результате квантовый выход излучения при комнатной температуре возрос в несколько раз и в лучших партиях достигает величины 0,15%.
Изменение технологии повлекло за собой изменение спектров и электрических характеристик р-л-структур; увеличение концентрации азота привело к увеличению вклада рекомбинации экситонов, связанных на парах атомов азота, и к ряду других особенностей.
Фосфид галлия кристаллизуется в решетке типа цинковой обманки (а0=5,45Л). Зонная структура и оптические свойства СаР достаточно подробно исследованы и описаны в литературе [7-12], поэтому мы остановимся лишь на наиболее важных результатах последних работ.
Ранее предполагалось, что абсолютный минимум зоны проводимости расположен вблизи края зоны Бриллюэна в точке X/, однако точное его положение было неизвестно [7]. В настоящее время, благодаря работам группы А.Н. Пихтина [13-17] и других авторов [18,19] установлено, что зона проводимости в области X}-минимума имеет сложную "двугорбую" структуру.
Абсолютный минимум смещен в £-пространстве относительно точки X/ на
величину Д& =0,08— в направлении Д, а величина харакгерного
ао
энергетического "горба" Е(Х)-ЕгЫя составляет 3,7мэВ [17]. Величина энергии связи экситона, определяется из сопоставления теоретических и экспериментальных данных с учетом непараболичности зоны проводимости, составляет 21 мэВ (ранее принималось значение 10 -ИмэВ) [3]. Ширина запрещенной зоны Eg в СаР также подверглась уточнению: она увеличилась на ПмэВ относительно прежнего значения 2,239эВ [5,4] , и составляет по данным [13] 2,350±0,002 эВ при Г-4,2К. Температурная зависимость Е^ дается эмпирическим соотношением [13]:
*,(Г)-2.350-6,2 Ю^,
где Г-температура, К. При Г=300К £g=2,270 эВ.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) р-л-струкгур из СаР.Ы весьма разнообразны и во многих случаях не находят объяснения в рамках известных теорий [20-22], применимых в тех случаях, когда концентрации неравновесных элекгронов и дырок равны между собой. Более сложные теории ВАХ, в
частности, теории двойной инжекции с захватом на ловушки, рассмотрены в монографиях [23-26]. Исследования ВАХ дают информацию о механизмах переноса заряда через р-п-структуру, об области, в которой идет рекомбинация, о законах рекомбинации [26]. Следует заметить, что в структурах из ОаР протекание тока определяется почти целиком безыз л у нательной рекомбинацией.
Сложность интерпретации ВАХ, исследуемых в большом диапазоне токов, состоит в том, что при изменении уровня инжекции происходит изменение области и механизмов рекомбинации; это приводит к появлению различных участков ВАХ [25-26,27-32]. При малых токах, когда еще не сказывается влияние последовательного сопротивления р-п-перехода, ВАХ, как правило, в научной литературе описываются экспоненциальной зависимостью:
/ - ехр{—),
^ркГ
где р = 2 и не зависит от температуры.
Такая зависимость подсказывается теорией Саа-Нойса-Шокли [21] для рекомбинации на глубоких центрах в области пространственного заряда. Более точная теория развита в [25,26], где показано, что показатель " р "зависит как от температуры, так и от напряжения смещения. »
При больших токах (более 1 А/см^) на ВАХ наблюдались участки с различными с (1</?<2). В литературе считалось, что это свидетельствует о наличии второй, тоже экспоненциальной компоненты тока. Коэффицент р для нсс определялся путем вычитания из суммарного тока компоненты с /7 = 2 или подбором. В работах [27,35] были получены значения /7 = 1.3-1.4, которые объяснялись механизмом рекомбинации в области пространственного заряда через мелкий уровень [21]. В других работах [30,32-24] утверждаюсь, что /7 = 1, т.е. вторая компонента является диффузионным током Шокли в квазинейтральной толщине р-л-структуры [22]. В работе [28] было получено, что /7 = 4/3 и не зависит от температуры в интервале 77-400К, что подтвердило результаты работ [27,35]. Была предложена модель безызлучагельной рекомбинации в слое пространственного заряда через уровень, отстоящий на
1,1 эВ от края запрещенной зоны и принадлежащий многозарядному акцептору
(вакансия ва или комплекс с ее участием [28]). Однако до конца механизм рекомбинации не выяснен.
В теоретических работах [36-38] для р-1-п-структур с учетом прилипания в квазинейтральной области было получено значение >3=1,5. В частности, в работе Осипова и Холоднова [37] рассмотрена примесная рекомбинация носителей, когда концентрация рекомбинационных центров сравнима с концентрацией мелких примесей. Показано, что в этом случае за счет разного темпа захвата концентрации неравновесных электронов и дырок не только не равны друг другу, но и связаны нелинейной зависимостью. При этом в некоторой области не слишком больших уровней инжекции и при высокой равновесной степени заполнения элсюронами глубоких примесных центров акцепторного типа (эти условия реализуются в компенсированных полупроводниках, в которых концентрация доноров больше, чем концентрация глубоких акцепторов), связь между неравновесными элекзронами и дырками квадратична:
где Nt - концентрация глубоких примесных центров,. <?^,с>,гкоэффициенты зфхвата дырок и электронов на эти центры. При этоим время жизни дырок const. Зависимость тока от напряжения для плоскостного диода в стационарном случае имеет вид [37]:
При более высоких уровнях инжекции концентрации неравновесных электронов и дырок сравниваются.
Описанная выше теория получила экспериментальное подтверждение для диодов из ОоЛб с излучательной рекомбинацией через акцепторный уровень 5/ (/? = 1,5 в диапазоне токов до 7 порядков при 7’=77-г-373К) [37[. В работе [39] исследовались светодиоды из 0аР:(2п-О,С(1-О). Здесь также /? = 1,5 в диапазоне токов до 6 порядков и Т=77-372К . Учаегки ВАХ с /3=1,5 наблюдались и
- Київ+380960830922