Дефекты с глубокими уровнями в структурах А3В5 и их взаимодействие с квантовыми точками

2
ГЛАВА 1
1.1.
1.2.
1.2.1.
1.2.1.1.
1.2.1.2.
1.2.2.
1.2.2.1.
1.2.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 2
Дефекты с глубокими уровнями в нелегированных 18
слоях СаАв и ваР, полученных методом жидкофазной эпитаксии, и оптимизация технологии получения структур на их основе
Введение 18
Исследования электрофизических параметров и дефектов с 25
глубокими уровнями в эпитаксиальных р-п структурах на основе нелегированного ОаАв электронио-зондовыми методами
Определение параметров закона рекомбинации в области 25
объемного заряда р-п и р-ьп полупроводниковых структур с помощью электронного зонда
Особенности поведения ТИЭЗ и КЛ в структурах на основе 25
нелегированного ваАв
Теоретические модели расчета кривых ТИЭЗ при локальной 29
перезарядке глубоких уровней
Модуляционная спектроскопия глубоких уровней с 41
помощью электронного зонда
Физические основы метода модуляционной спектроскопии 41
глубоких уровней с помощью электронного зонда Результаты исследования глубоких уровней в р-п 45
структурах на основе эпитаксиального ваАв методами модуляционной спектроскопии
Определение параметров закона рекомбинации в 58
квазинейтральных областях полупроводниковых структур с помощью электронного зонда
Исследования механизма усиления фототока в СаАз/АЮаАя 68
71
71
73
76
82
86
98
104
107
107
109
115
122
123
123
126
136
143
3
структурах с помощью модуляционной методики Влияние температуры начала кристаллизации на механизм компенсации и процесс образования дефектов в ваАв, выращенном из раствора-расплава ва-Ав Введение
Исследования р-п структур методом Ван-дер-Пау Токовая ВЬТв спектроскопия дефектов и примесей с глубокими уровнями в р-п структурах
Оптическая модуляционная спектроскопии глубоких уровней с помощью электронного зопда Дефекты с глубокими уровнями в ОаАя, выращенном из раствора-расплава Ба-Ав-В!
Особенности получения СаР полупроводниковых структур методом жидкофазной эпитаксии Выводы к главе 1
Бистабильные дефекты и примеси с глубокими
уровнями в эпитаксиальных слоях АЮаАв
Введение
Метастабильнос состояние ВХ-центра в легированных эпитаксиальных слоях А^Са^Аз
Бистабильные свойства собственного Е1 дефекга в легированных 81 эпитаксиальных слоях А^Са^Ав Выводы к главе 2
Радиационные дефекты с глубокими уровнями в
эпитаксиальных слоях СаАв и АЮаАэ
Введение
Генерация ЕЬ2 дефекта в п-БаАя при радиационном облучении протонами и электронами высокой энергии Бистабильные свойства радиационного Е1 дефекта в легированных 81 эпитаксиальных слоях А^ва^Ав. Радиационные дефекты с глубокими уровнями в солнечных
4
3.5.
ГЛАВА 4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
ГЛАВА 5.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7
элементах на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs Выводы к главе 2
Рекомбинационно-стимулированные отжиги в GaAs и AIGaAs слоях и гстеролазерных структурах на их основе Введение
Исследования механизма деградации лазера на основе AIGaAs/GaAs-гетероструктур с квантовыми ямами Рекомбинационно-стимулированный отжиг в слоях GaAs и AIGaAs
Выводы к главе 4
Взаимодействие квантовых точек и дефектов в (InAs,Ga)/GaAs полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми точками Введение
Эффект кулоновского взаимодействия квантовых точек и дефектов в гетероструктурах InAs/GaAs с вертикально сопряженными квантовыми точками, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Метастабильпая заселенность саморганизованных квантовых точек в InAs/GaAs гетероструктурах,
выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Эффект Штарка вертикально сопряженных квантовых точек в гетероструктурах InAs/GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Термоотжиг дефектов InGa As/Ga As гетероструктурах с трехмерными островками, выращенных методом
газофазной эпитаксии из металлорганических соединений Влияние кулоновских эффектов на электронную эмиссию и захват саморганизованнымн квантовыми точками
InGaAs/GaAs Выводы к главе 5
147
149
149
152
162
169
170
170
176
189
205
217
234
246
5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 249
Публикации по диссертации 253
ЛИТЕРАТУРА 257
Приложение I 279
1.1. Генерация, диффузия и дрейф неравновесных носителей при 279 облучении быстрыми электронами
Приложение II 285
11.1. ОШ метод 285
И.2. Автоматизированная установка токового ПЬТ8 287
спектрометра.
И.З. Установка для измерения электрофизических 290
характеристик методом Ван-дер-Пау
6
Актуальность темы. Арсенид галлия, как и многие другие полупроводники АЗВ5, является важнейшим материалом для сверхбыстрых электронных и оптических приборов, но они почти всегда содержат точечные дефекты кристаллической решетки, размер которых равен размеру атомов решетки. К числу точечных дефектов относятся: атомы междоузлия, вакансии решетки, пары междоузлия-вакансии, дефекты перестановки (antisite), кластеры и комплексы. Точечные дефекты в полупроводниках, действующие как ловушки электронов и дырок проводимости и имеющие обычно концентрацию в 1 O'6 раз меньшую, чем концентрация атомов, могут оказывать значительные, как нежелательные, так и полезные эффекты на электронные и оптоэлектронные свойства материалов и приборов. Знание и понимание электронных свойств, поведения и структуры дефектов являются, следовательно, весьма существенными и актуальными для дальнейшего развития технологии полупроводников АЗВ5, так как точечные дефекты рождаются в полупроводниках в процессе роста кристаллов и эпитаксиальных слоев, при ионной имплантации, травлении, а также при радиационном облучении. Их присутствие в полупроводниках может значительно влиять на темп диффузии примесей атомов и на процессы деградации приборов. Развитие физики полупроводников и технологии способствовало также появлению целого ряда новых идей: самоорганизации, метастабильности, рекомбинационно-стимулированного усиления и диффузии, квантового эффекта, становящихся важными для объектов с очень маленькими размерами. Новые типы дефектов так же, как и их специфическое поведение в полупроводниках, обнаруживаются по мере быстрого развития технологий, что предопределяет актуальность постоянного интереса к дефектам. Новые вопросы, связанные с изучением дефектов, часто возникают из практического опыта при исследовании полупроводниковых объектов, в частности, - полупроводниковых гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками (КТ). Следует отметить, что в литературе, на момент выполнения работы, отсутствовали сведения об экспериментальных исследованиях точечных дефектов и их влияния на заселенность квантовых состояний так же, как и об их взаимодействии с квантовыми точками в таких системах. Не была установлена природа точечных дефектов, образующихся в (InAs,Ga)/GaAs-reTepocTpyTypax с самоорганизованными КТ, и соответственно не было информации о способах их подавления с помощью термоотжига in situ. Не было определено соотношение в концентрации точечных дефектов и КТ, приводящее к тому или иному механизму взаимодействия. Отсутствовали экспериментальные методы, позволяющие отличить пространственно-локализованные состояния в таких структурах от дефектов решетки. Изучение всех этих явлений в
7
(1пА8,Са)/ОаА$-гетероструктурах является актуальной задачей физики полупроводников, а также микро- и оптоэлектроники.
Полупроводниковые квантовые структуры занимают в современной оптоэлектронике особое место. На их основе были созданы первые полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре. Актуальной является проблема повышения срока работы такого лазера, выяснение механизмов, лежащих в основе рекомбинационно-стимулированной деградации прибора, выяснения роли точечных дефектов в этом процессе.
Актуальной является задача получения эпитаксиальных слоев и приборов на основе соединений А3В5 (ваАз, баР) с заданными и новыми свойствами, в которых компенсация слоев, распределение концентрации фоновых мелких примесей и дефектов с глубокими уровнями (ГУ) определяются технологическими условиями кристаллизации расплава. На момент выполнения работы практически отсутствовали экспериментальные исследования по влиянию температур начала кристаллизации на механизм компенсации эпитаксиальных слоев ваАз р-п-структур, полученных из раствора-расплава в Са, и не было достаточного понимания роли и природы акцепторных дефектов с ГУ, а также и донорного дефекта типа ЕЬ2, участвующих в компенсации такой структуры. Не было также достаточно изучено влияние содержания изовалентной примеси В1 в жидкой фазе при выращивании эпитаксиальных слоев ваАз на конценграцию и тип образующихся при этом собственных дефектов решетки.
Актуальной проблемой физики дефектов и полупроводников являются исследования метастабильности дефектов и их свойств, в первую очередь ЕЬ2-дефекта и ЭХ-центра в ОаАБ и АЮаАз, а также других дефектов, образующихся в процессе эпитаксиального роста и при их радиационном облучении протонами и электронами. Вопрос о том, что такое ЕЬ2-дефект - изолированный апбБЙе-дефект или его комплекс с междоузельным мышьяком, может ли он быть сформирован в ОаАэ, выращенном из раствора-расплава в ба и при радиационном облучении или нет, так же, как ОХ-цснтр - это дефект с отрицательной корреляционной энергией, а если так, то может ли он перейти в мегастабильное антисвязанное состояние А| донора замещения, был до последнего времени открытым.
Весьма актуальными задачами являются идентификация дефектов в сложных слоистых структурах и исследования физических характеристик в локальных областях полупроводниковых материалов и приборов. Этим требованиям отвечают электронно-зондовые методы исследования. К моменту начала работ, связанных с изучением материалов и структур на основе эпитаксиального нелегированного ОаАБ, не было адекватных
8
электронно-зондовых методов определения параметров дефектов и примесей в локальных областях материалов и приборов, а также однородности в их распределении. Актуальной задачей стала потребность в разработке таких методов.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование и выявление новых свойств и природы точечных дефектов решетки с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях и структурах на основе соединений АЗВ5 (таких, как ваЛь, ваР и ОаА1Аз), образующихся при различных методах роста, отжига и радиационном облучении слоев.
Эти исследования направлены также на:
• выявление механизмов влияния обнаруженных дефектов на заполнение уровней энергии КТ и взаимодействия дефектов с самоорганизующимися квантовыми точками в (1п,Аз)СаУСаА5- гетероструктурах;
• оптимизацию технологии получения слоев и структур с управляемым содержанием дефектов для создания новых, эффективных приборов микро- и оптоэлектроники;
• оценку потенциальных возможностей по использованию полупроводниковых наногетероструктур с КТ на основе соединений АЗВ5 для создания приборов микро- и оптоэлектроники с высокой степенью свободы управления зонной струкгурой и электрооптическими свойствами с помощью внешних и встроенных электрических полей.
Для достижения указанных целей решался следующий комплекс задач.
• Разработка электронно-зондовых методов исследования процесса рекомбинации и спектроскопии центров с ГУ в локальных областях эпитаксиальных слоев, основанных на регистрации тока, индуцированного электронным зондом.
• Использование разработанных методов локальной спектроскопии дефектов с ГУ в многослойных ваАБ полупроводниковых структурах для определения оптических параметров дефектов и параметров процесса рекомбинации.
• Разработка методики исследования пространственно-локализованных квантовых состояний точек, ям и поверхностных состояний, позволяющей отличать спектры этих состояний от спектров ГУ дефектов, распределенных по толщине эпитаксиального слоя с использованием вольт-фарадных (С-У) измерений и нестационарной спектроскопии глубоких уровней (ЭЬТЗ).
• Определение энергетического спектра ГУ дефектов решетки и квантовых состояний
9
точек, а также анализ влияния на этот спектр как внешних, так и встроенных электрических полей с помощью DLTS спектроскопии при различных условиях предварительного обратимого изохронного, изотермического и оптического отжигов.
• Применение вольт-фарадных измерений и нестационарной спектроскопии ГУ для определения механизма деградации лазеров с квантовыми ямами.
Новое научное направление исследований, которое сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы - это исследования новых свойств и природы точечных дефектов решетки с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях и структурах на основе соединений АЗВ5 (таких, как GaAs, GaP и GaAlAs), эффектов их взаимодействия с самоорганизующимися (In,As)Ga/GaAs квантовыми точками с использованием новых методов исследования центров с глубокими уровнями в локальных областях слоистых структур.
Научная новизна работы. Все основные научные результаты, позволившие сформулировать выносимые на защиту научные положения, получены впервые.
• Разработаны методы определения оптических параметров центров с ГУ, процессов рекомбинации в локальных областях р-п-структур с помощью электронного зонда и разделения в спектрах DLTS сигналов, связанных с квантовыми состояниями точек от дефектов с ГУ.
• Обнаружены и детально исследованы свойства, условия образования и отжига EL2-
дефекта и нового акцепторного дефекта HF1 с уровнем (Еу + + 0,47) эВ в эпитаксиальных слоях GaAs, выращенных из раствора-расплава в Ga при температурах начала кристаллизации выше 800°С и из раствора-расплава Ga-Bi при содержания Bi >0,6 атомной доли.
• Обнаружены и детально исследованы свойства и условия образования нового
бистабильного дефекта с кинетикой конфигурационной трансформации первого порядка и параметрами в стабильном состоянии, совпадающими с радиационным Е1-дефектом, кинетика трансформации которого определяется единичным прыжком междоузелыюго мышьяка; метастабильного уровня антисвязанного локализованного Ai состояния DX-центра в легированных Si слоях AlxGai.xAs
• Обнаружено образование комплекса вакансии мышьяка и дефекта (Vas) -(D) при
частичном оптическом индуцированном отжиге дефектов (V As и Asca) и
рекомбинационно-стимулированной диффузии донорной примеси (D) в процессе их облучения лазером в эпитаксиальных слоях AlGaAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) при сверхвысоких скоростях охлаждения.
Обнаружена генерация точечных дефектов Asg* и VGa, сопровождающая эффект рекомбинационно-стимулированного переползания дислокаций при деградации GaAs/AlGaAs гетеролазеров с квантовой ямой.
В InAs/GaAs-гетероструктурах обнаружено сильное влияние дефектов с глубокими уровнями на заселенность состояний квантовых точек; кулоновское взаимодействие между ионизованными дефектами решетки и носителями, локализованными в квантовых точках, с образованием электростатического диполя, встроенное поле которого изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии и захвата носителей квантовой точкой; сильная зависимость энергии уровней s- и р-состояний, вертикально-сопряженных квантовых точек от величины приложенного внешнего электрического ПОЛЯ.
Показано, что как рост температуры начала кристаллизации при выращивании GaAs из раствора-расплава в Ga, так и изменение содержания Bi в жидкой фазе позволяют контролировать концентрацию и номенклатуру собственных акцепторных (HL2, HL5 и HF1) и донорных (EL2) точечных дефектов, компенсацию слоев и структур.
Показано, что in situ отжиг InGaAs слоев способствует формированию бездислокационных когерентных КТ, аннигиляции точечных дефектов решетки, связанных с образованием дислокаций в слое матрицы GaAs (EL2), локализованных на гетерогранице InGaAs/GaAs, и уменьшению на порядок концентрации остальных дефектов.
Научная и практическая ценность работы
Проведенные исследования механизмов компенсации GaAs и GaP позволили разработать технологию получения эпитаксиальных слоев и структур на основе GaAs и GaP методом ЖФЭ с параметрами и свойствами (с низкой концентрацией дефектов и примесей, высокой термостабильностью), необходимыми при создании линейных датчиков температур с рекордными параметрами. Результаты этих исследований использовались при изготовлении высоковольтных диодов и тиристоров повышенного быстродействия [1], также при производстве лазеров с длительным сроком эксплуатации.
11
• Были намечены пути создания принципиально новых обратимых электрических и оптических устройств памяти с экстремально высокой плотностью (10'°- 10м бит/см2) с применением массива комплексов КТ-дефект.
• Разработанные новые методы токовой спектроскопии центров с ГУ в локальных областях р-п структур с помощью электронного зонда и монохроматического ИК света позволили провести исследования дефектов с ГУ в высокоомных полупроводниковых материалах и изучить изменения параметров рекомбинации по толщине эпитаксиального слоя. Применение этих методов позволило впервые в ваАя, выращенном методом ЖФЭ из раствора-расплава в ва при высокой температуре кристаллизации, обнаружить образование донорного ЕЬ2-дефекта, определить связь между концентрацией дефектов с ГУ и диффузионной длиной неосновных носителей, а также механизм усиления фототока в ОаАв/АЮаАэ гетероструктурах.
• Разработана методика различения в спектрах ОЬТБ сигналов, связанных с состояниями КТ от дефектов с ГУ, позволившая решить такую важную научную проблему, как изучение состояний КТ, ям и глубоких поверхностных состояний на гстсрогранице, определения их параметров, а также эффектов взаимодействия с дефектами решетки, влияния внешних и встроенных электрических полей на спектр энергии КТ.
Достоверность основных результатов подтверждается сравнительным анатизом результатов, полученных с помощью различных взаимодополняющих и уточняющих методик, с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными и теоретическими данными изучения электрических, оптических и структурных свойств дефектов с ГУ и массивов самоорганизующихся КТ в эпитаксиальных слоях и структурах.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Разработаны электронно-зондовые методы определения электрофизических параметров в локальных участках полупроводниковых структур, включающие
- метод модуляционной спектроскопии оптических параметров центров с ГУ, основанный на регистрации сигнала фототока Д1, возникающего при одновременном облучении структуры тонким электропным зондом и монохроматическим ИК светом;
- способ определения параметров процесса рекомбинации в квазинейтральных областях и в слое объемного заряда р-п-перехода, основанный на анализе зависимостей
12
величины тока, индуцированного тонким электронным зондом, от положения зонда, напряжения обратного смещения и тока поглощенных электронов.
2. Компенсация нелегированных эпитаксиальных слоев ОаАэ, полученных из раствора-расплава в в а, зависит от температуры начала кристаллизации (Ть). С увеличением Ть растет концентрация собственных точечных дефектов и расширяется их номенклатура. При Ть £800° С в процессе роста СаАэ происходит образование 1-слоя, в компенсации которого наряду с акцепторными дефектами НЬ2 и НЬ5 участвует донорный ЕЬ2-дсфект. Термообработка эпитаксиальных слоев СаАэ при Ть>900° С приводит к инверсии проводимости из I- и п- в р-тип, которая связана с генерацией нового акцепторного дефекта с глубоким уровнем симметрии А] и красной границей оптического сечения фотоионизации 360 мэВ.
3. Изменение содержания изовалентиой примеси Ы в жидкой фазе хв* контролирует концентрацию собственных точечных дефектов, связанных с отклонением состава ваАя от стехиометрического. Увеличение содержания В1 в жидкой фазе от 0 до 0,9 ат.д. приводит к уменьшению на порядок концентрации НЪ2- и НЬ5-дефектов. При Хщ >0,6 ат.д. происходит образование и рост концентрации нового глубокого акцепторного НГ1 -дефекта, отжигающегося при То>500°С с образованием ЕЬ2-дефекта. Глубокий уровень этого дефекта имеет симметрию А1, красную границу оптического сечения фотоионизации - 360 мэВ и энергию термической эмиссии дырок - 470 мэВ.
4. При радиационном облучении п-ваАБ протонами и электронами высокой энергии происходит генерация ЕЬ2-дефекта, проявляющего эффект гашения фотоемкости. С ростом дозы облучения до Фр=1х10п см*2 наблюдается монотонный рост концентрации ЕЬ2-дефекта. При дозе Фр=1х1012 см'2 в результате увеличения концентрации радиационных дефектов и усиления взаимодействия между ними происходит модификация электрических свойств ЕЬ2-дефекта: изменяется энергия термической активации и сечение захвата носителей заряда. При этом наблюдается рост концентрации дефектов Е4 и Е5, которые связаны с кластерами взаимодействующих дефектов.
5. В эпитаксиальных п-слоях AIo.3Gao.7As, легированных и выращенных методом МОС гидридной эпитаксии образуется бистабильный дефект, представляющий собой комплекс вакансия мышьяка - примесный донор, с кинетикой конфигурационной трансформации первого порядка и параметрами в стабильном состоянии, совпадающими с дефектом Е1, образующимся при радиационном облучении А^а^Аз. При радиационном облучении образца концентрация дефекта в стабильном состоянии увеличивается, но кинетика
13
трансформации определяется единичным прыжком. Дефект становится мультистабильным и является парой Френкеля VAs-Asj.
6. Выращивание InGaAs/GaAs-гетсроструктур методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений с in situ отжигом InGaAs слоев способствует, помимо формирования когерентных напряженных островков, являющихся квантовыми точками, аннигиляции дефектов, связанных с образованием дислокаций (EL2) и локализованных на InGaAs/GaAs-гетерогранице. Концентрации остальных точечных дефектов решетки, расположенных в матрице GaAs и ближайшей окрестности с островками InGaAs, уменьшаются более чем на порядок.
7. Наличие собственных точечных дефектов, расположенных вблизи с КТ в (In,Ga)As/GaAs-гетероструктурах, обуславливает возникновение (i) кулоновского взаимодействия носителей, локализованных в КТ, и ионизованных дефектов с ГУ, приводящее к образованию электрического диполя, встроенное поле которого изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии и захвата носителей состояниями точки; (й) а также метастабильной заселенности состояний КТ, управляемых с помощью оптических и электрических сигналов при изохронных отжигах с включенным/выключенным напряжением смещения (ига<0,
Ura=0).
8. Гибридизация квантовых состояний вертикально-сопряженных самоорганизующихся точек в InAs/GaAs-гетероструктурах приводит к сильной зависимости положения уровней энергии связанных и антисвязанных (s) основных и возбужденных (р) состояний ВСКТ от величины приложенного внешнего электрического поля, определяемого как проявление квантово-размерного эффекга Штарка.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II+V Всесоюзных конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетерострукт>грах (Ашхабад, 1976; Одесса, 1982; Минск, 1986, Калуга 1990); на Ilb-VI Всесоюзных симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Звенигород, 1981, 1984, 1987 и 1989); V Всесоюзном совещании по исследованию арсенида галлия (Томск, 1982); Х+ХП Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Минск, 1985; Кишинев, 1988; Киев, 1990); Всесоюзном семинаре “Применение эпитаксиальной технологии в производстве силовых полупроводниковых приборов” (Сангасте, 1981); XXI Международной осенней школе по электронной микроскопии “Аналитическая электронная микроскопия” (Халле, ГДР, 1985); Всесоюзном
14
семинаре “Электронно-зондовые методы исследования полупроводников” (Сухуми, 1986); Всесоюзной научной конференции “Фотоэлектрические явления в полупроводниках” (Ташкент, 1989); I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), 1-ом координационном совещании секции “Диагностика полупроводников и полупроводниковых структур” (Наманган, 1990); 1st International Conference on Epitaxial Crystal Growth (Budapest, Hungary, 1990); 7th International Conference on Vapour Growth and Epitaxy (Nagoya, Japan, 1991); (16-^-21 )th International Conference on Defects in Semiconductors (Bethlehem, USA, 1991; Gmunden, Austria, 1993; Sendai, Japan, 1995; Aveiro, Portugal, 1997; Berkeley, USA, 1999; Giessen, Germany); Первой национальной конференции “Дефекты в полупроводниках” (Санкт-Петербург, Россия, 1992); MRS 1992, 1994, 1995 Spring Meeting (San Francisco, USA); (1-5)-ой Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1995; Москва, 1997; Нижний Новгород, 2001); 12th International Conference Electronic Properties of Two-Dimensional Sistems (Tokyo, Japan, 1997); International Workshop on Nano-Physics and Electronics (Tokyo, Japan, 1997); 1st International Conference on Materials for Microelectronics (Barcelona, Spain, 1994); International Symposium “Nanostructures:Physics and Technology” (St.Petersburg, Russia, 1997); 40th Electronic Materials Conference-TMS (Charlottesville, Virginia, 1998); International Conference Physics at the Turn of the 21st Century (St.Petersburg, Russia, 1998); International Symposium on Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures ( Sapporo, Japan, 1998); Gordon Research Conference on Point and Line Defects in Semiconductors (Colby-Sawyer College in New London, USA, 1998); The 24th and 26th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, 1998; Edinburg, Scotland, UK, 2002); ISTC-Samsung Forum (Moscow, 2001); Совещании “Нанофотоника” (H.Новгород, 2000-2003).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 41 статья и 2 авторских свидетельства, список которых приводится в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Она содержит 293 страницы, включая 100 рисунков, 13 таблиц, 294 ссылок.
15
Краткое содержание работы.
Во введении кратко обосновывается целесообразность, актуальность, практическая ценность проведенных в данной работе исследований, их научная новизна и перечисляются основные положения, которые выносятся на защиту.
Глава I посвящена изучению дефектов с глубокими уровнями в нелегированных слоях ваАв и ваР, полученных методом жидкофазной эпитаксии, и оптимизация технологии получения структур на их основе. Эта глава посвящена также разработке новых электронно-зондовых методов, предназначенных для исследования электрофизических параметров и дефектов с глубокими уровнями в эпитаксиальных р-п структурах на основе нелегированного ваАв. Кроме того, в главе I содержится краткий обзор природы, физических свойств и физико-химических условий формирования точечных дефектов и примесей в соединениях АЗВ5. Кратко описываются теоретические представления о глубоких локализованных и мелких состояниях и их отличия друг от друга, о методе конфигурационно-координатных диаграмм, излагаются основные методы исследования дефектов с глубокими уровнями. Обосновывается применимость для исследования свойств используемых материалов и многослойных структур, в частности, при исследовании нелегированных слоев ОаАэ и структур на его основе, содержащих {-области, электронно-зондовые методов, как извествых, так и вновь разработанных автором диссертации.
В главе И представлены результаты наших измерений легированного 81 А1х(3&1-хАв с х>0.22, проведенные методами ЭЫБ и термостимулированной емкости, которые продемонстрировали существование метастабильного А) состояния и механизм трансформации ЭХ-центра из метастабильного состояния в стабильное и обратно. Сообщается также об обнаружении и исследовании нового бистабильного дефекта в эпитаксиальных слоях АЮаАз, энергия термической активации которого меньше чем у ОХ-уровня. Предполагается, что этот дефект имеет отношение к комплексу УЛ5 и донорной примеси. В главе П продолжен краткий обзор представлений о методе конфигурационнокоординатных диаграмм и эффектах взаимодействия, метастабильных атомных конфигурациях, а также эффектах трансформации дефекта в различные его конфигурации.
В главе Ш представлены результаты ОЬТ8 исследований процесса формирования
16
радиационных дефектов, образуемых при облучении п-СаАэ при Т=300К протонами с энергией 6.7 мэВ, в зависимости от дозы облучения. Обнаружено образование ЕЬ2 дефекта, проявляющего эффект фотоемкостного гашения. Повышение дозы облучения Фр> 11011 см'2 стимулирует рост концентрации дефектов и их взаимодействие становится сильнее, что приводит к изменению электрических свойств ЕЬ2 дефекта. Также сообщается об обнаружении новых бистабильных свойствах радиационных Е1 и Е2 дефектов, образуемых при облучении n-Alo.3Gao.7As, легированного Б|, электронами с энергией 1МеВ при Т=300К. Была определена кинетика трансформации Е1 из стабильной в метастабильную и обратно. Результаты этих исследований позволили уточнить природу и свойства Е1и ЕЬ2 дефекта. В главе приведен краткий обзор радиационных дефектов в ваАБ и АКЗаАя, образующихся при облучении их протонами и электронами, описаны их свойства и способы исследования этих свойств.
В главе VI представлены результаты исследований оптически индуцированного отжига дефектов и процесса рекомбинационно-стимулированной диффузии донорной примеси в эпитаксиальных слоях СаАэ и АЮаАя, полученных методом ЖФЭ при сверхвысоких скоростях охлаждения. Сообщается о результатах по исследованию процессов деградации гетсролазерных структур с квантовой ямой на основе ОаАя/АЮаАз, проведенных с помощью вольт-фарадных измерений и методом ПБТБ. В главе также приведен краткий обзор работ, посвященных рекомбинациопно-стимулированным реакциям и механизмам деградации лазеров с квантовыми ямами.
В главе V представлены результаты исследований эффектов кулоновского взаимодействия квантовых точек и дефектов в (1пАз,Оа)/ОаА5 полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми точками, влияния этих эффектов на электронную эмиссию и захват, метастабильной заселенности саморганизованных квантовых точек, эффекта Штарка вертикально сопряженных квантовых точек. Кроме того, исследуется термоотжиг дефектов в ЬЮаАв/ОаАз гетероструктурах с трехмерными островками. В главе также приведен краткий обзор работ, посвященных проблемам получения квантовых точек, методам их исследований и физическим эффектам, связанным с их наличием в полупроводниковых гетсроструктурах.
В заключении сформулированы выводы и основные результаты диссертационной
работы.
В приложении I дается краткий обзор работ по генерации, диффузии и дрейфу
17
неравновесных носителей при облучении быстрыми электронами.
В приложении Д дается краткое описание метода и атоматизированной
установки токового ИЬТБ спектрометра, а также установки для измерения электрофизических характеристик методом Ван-дер-Пау.
18
Глава 1
Дефекты с глубокими уровнями в нелегированных слоях GaAs и GaP, полученных методом жидкофазной эпитаксии, и оптимизация технологии
получения структур на их основе
1.1. Введение
Высокий уровень современной электроники определяется темпами развития ее наиболее важных направлений - микро- и оптоэлектроники. Прогресс в этих областях в свою очередь способствовал развитию технологии получения эпитаксиальных слоев и структу р на основе полупроводниковых соединений АЗВ5, обладающих высоким уровнем чистоты и структурного совершенства, что приводило к возрастающему влиянию собственных точечных дефектов на свойства и параметры этих материалов и приборов. Отсюда понятен тот интерес, который существует к проблемам физики дефектов и их применению. В бинарных полупроводниковых соединениях типа АЗВ5 в качестве собственных точечных дефектов могут быть: вакансии в любой из кристаллических подрешеток (VA и Vb); междоузельные атомы обоих компонентов (А, и Bj), Которые могут находится в решетке в различных положениях; дефекты перестановки (antisite) В на местах атомов А и наоборот (Вд и Ав). Эти дефекты могут взаимодействовать между собой и с примесями, приводя к образованию разнообразных комплексов. В полупроводниковых соединениях существенную роль в образовании точечных дефектов играет отклонение состава от стехиометрического. Для полупроводниковых соединений АЗВ5 при выращивании из расплава максимальная температура плавления не отвечает стехиометрическому составу [1-5]. В тоже время выращивание эпитаксиальных полупроводниковых соединений происходит при существенно более низких температурах, чем выращивание объемных монокристаллов [1-3]. При температурах эпитаксии протяженность области гомогенности для большинства соединений достаточно мала, и содержание точечных дефектов, обусловленных отклонением от стехиометрического состава, в эпитаксиальных слоях значительно ниже, чем в монокристаллах. Тем не менее, оно соизмеримо, а в ряде случаев существенно превосходит содержание остаточных примесей в слоях, и эта дефекты оказывают большое влияние на свойства эпитаксиальных структур [1, 4]. Существенное влияние на содержание точечных
19
дефектов в эпитаксиальных слоях оказывают условия выращивания. При жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из ограниченного объема раствора-расплава собственные точечные дефекты, появляющиеся во время ростовых процессов относятся к термодинамически обусловленным видам нарушений идеальной кристаллической решетки, и их содержание в кристаллическом материале определяется температурой процесса ЖФЭ и активностью компонентов раствора-расплава. Так как термодинамические функции образования точечных дефектов в подрешетках бинарных соединений, составленных различными компонентами различны, то и концентрации этих дефектов различаются. В результате чего состав кристаллизуемого соединения отклоняется от стехиометрического в пределах области гомогенности [1-5]. Степень этого отклонения зависит от состава раствора-расплава, находящегося в равновесии с данной твердой фазой. Для рассматриваемой ветви диаграммы состояния степень отклонения определяется положением солидуса. В случае ваАя она имеет ретроградный характер и асимметрична по отношению к стсхиометричному составу [1, 4]. Снижение температуры процесса ЖФЭ позволяет понизить концентрации собственных точечных дефектов и уменьшить отклонение состава соединений от стехиометрического. Однако использование низкотемпературных режимов ЖФЭ часто ограничивается тем, что с понижением температуры резко падает растворимость материала в металле-растворителе и уменьшается скорость роста эпитаксиальных слоев. Выбор материала для растворителя обусловлен рядом факторов: низкими значениями температуры плавления, давления паров, относительно высокой растворимостью материала полупроводника при температурах ликвидуса, что обеспечивает получение эпитаксиальных слоев необходимой толщины. Как правило, в качестве растворителя используется легкоплавкие металлы, входящие в состав полупроводниковых соединений (ва в ОаАз и ваР) или образующих с ними квазибинарные системы (типа Бп-СаАз). В последнем случае растворитель обеспечивает и легирование эпитаксального слоя до концентраций, отвечающих его предельной растворимости в закристаллизованном полупроводнике при температуре контакта расплава с подложкой. Особенно интересными представляются расплавы, содержащие изовалентные примеси третьей (А1, 1п) пятой групп периодической таблицы Д.И.Менделеева, которые, замещая узлы в подрешетке соответствующего элемента, имеют то же количество валентных электронов, что и замещаемые ими атомы [4]. Такие примеси оказывают сильное влияние на кинетику кристаллизации эпитаксиальных слоев, приводя к существенному изменению равновесных концентраций собственных точечных дефектов. Выбор рабочих точек температуры роста и состава растворителя позволяет изменить соотношение между
20
концентрациями разноименных точечных дефектов и подбирать условия ЖФЭ, способствуя получению соединений с требуемым отклонением состав от стехиометрического. Такие возможности обусловлены близостью условий ЖФЭ к равновесным из-за высокой подвижности собственных точечных дефектов. При ЖФЭ в неизотермических условиях (эпитаксия в условиях принудительного охлаждения), как это было реализовано в данной работе, состав твердой фазы изменяется вдоль границы области гомогенности, что должно приводить к неодинаковой по толщине слоя концентрации точечных дефектов [1-3]. Для случая малого интервала температур можно получать слои с практически постоянной и малой концентрацией точечных дефектов.
При введении в кристалл собственных дефектов существующая трансляционная симметрия нарушается, и в запрещенной зоне могут появиться локализованные состояния со спадающей волновой функцией [6]. К потенциальной энергии электрона в идеальном кристалле добавляется энергия Ш(г), описывающая взаимодействие электронов с несовершенством решетки. Ш(г) имеет две составляющие: короткодействующую, связанную с отличием вида потенциала атомного остова от потенциала точечного заряда, и длиннодействующую, описываемую кулоновским потенциалом. Для мелких локализованных состояний энергия связи много меньше запрещенной зоны, локализация электронов слабая и би(г), являющаяся кулоновским потенциалом, плавно изменяется в пространстве, оставаясь практически постоянной на протяжении постоянной решетки [6]. Задачу о движении электрона решается с помощью приближения метода эффективной массы, описывающего поведение носителя заряда в идеальном кристалле. Однако короткодействующий потенциал остова может быть очень сильным внутри эффективного радиуса дефекта и даже малая порция электронного заряда, локализованного там, может привести к значительному вкладу в энергию связи [6]. Увеличение энергии связи по отношению к краю запрещенной зоны означает более сильную локализацию волновой функции, поэтому при рассмотрении проблемы глубоких локализованных состояний преобладающий характер имеют короткодействующие силы и метод эффективной массы не применим. При теоретическом рассмотрении электронных и атомных процессов в конденсированных материалах, был введен метод конфигурационно-координатных диаграмм (ККД), в котором адиабатический потенциал системы представляется как функция атомных конфигураций. Метод ККД был впервые введен для систем локализованных электронов, где адиабатический потенциал дается как сумма энергии электронов и потенциала решетки [6]. Метод ККД был также использован для изучения дефектов и примесей с глубокими уровнями в полупроводниках. В
21
результате чего спектроскопия дефектов и примесей с глубокими уровнями по большей части из описательной и качественной, превратилась в количественную и научно обоснованную. Большинство ранее наблюдаемых эффектов, таких как большое смещение Стокса в оптических спектрах, разницу между тепловой и оптической глубиной захвата носителей и метастабильность, фотоутомляемость, механизмы электронно-стимулированных реакций нашли физическое объяснение и т.д. [7-9].
Основными задачами при исследовании собственных точечных дефектов являются: определение их природы, если дефекты имеют глубокие уровни, то их параметров и концентраций, а также оценки их влияния на электрофизические свойства полупроводниковых материалов и приборов. Решение этих задач встречает ряд принципиальных затруднений. Трудности эти обусловлены в первую очередь следующими причинами: достаточно малой концентрацией точечных дефектов (их концентрация обычно не превышает 1015 - 1016 см'3 и резко уменьшается при понижении температуры); присутствием в слоях фоновых примесей; возможностью взаимодействия их между собой и с другими дефектами; высокой подвижностью точечных дефектов. Все это сильно осложняет выявление влияния точечных дефектов в чистом виде. Учитывая конечные значения скоростей охлаждения эпитаксиальных структур, можно сделать вывод, что они является весьма сложными объектами исследования. Успехи в изучении особенностей поведения точечных дефектов в полупроводниках во многом определяется достижениями в разработке надежных методов их обнаружения. Экспериментальные методы исследования точечных дефектов можно разделить на косвенные и прямые. В основе первых лежит зависимость свойств полупроводникового материала от присутствующих в нем дефектов. Прямые методы позволяют непосредственно определять содержание точечных дефектов в исследуемом объекте. В большинстве случаев точечные дефекты оказывают существенное влияние на электрофизические свойства полупроводника, обуславливая появление дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне. В зависимости от положения уровня Ферми они могут быть заряженными, либо нейтральными. Эффективным средством исследования дефектов при этом являются измерения различных параметров полупроводника, реагирующих на изменение спектра энергетических уровней в запрещенной зоне (нестационарная спектроскопия глубоких уровней (ЭЫБ), исследования эффекта Холла, диффузионной длины носителей заряда). Эти методы обладают высокой чувствительностью. С их помощью можно фиксировать дефекты с концентрацией на уровне 10ю - 1012 см'3.
22
Однако не всегда удается установить однозначную взаимосвязь между концентрацией того или иного уровня в запрещенной зоне и содержанием конкретного дефекта.
Одним из основных и традиционных направлений развития полупроводниковой электроники является разработка мощных полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов и тиристоров. Такие приборы, прежде всего, должны работать при больших токах и выдерживать значительные напряжения, рассеивать большие мощности, иметь малые обратные токи и слабую зависимость параметров от температуры. Основной задачей при создании высоковольтных диодных структур на основе нелегированных эпитаксиальных слоев ОаАз является разработка технологии получения слоев с оптимальным распределением концентрации мелких и глубоких центров, позволяющих достигнуть высоких обратных напряжений ио и малых прямых падений напряжений. Две последних задачи взаимосвязаны и противоречивы. Увеличение ио требует соответствующего роста толщины базы структуры. Это в свою очередь приводит к росту омических потерь в пропускном направлении, особенно при использовании материалов с малыми диффузионными длинами неосновных носителей. Поэтому при создании силовых приборов на основе нелегированного ОаАэ необходимым является получение эпитаксиальных слоев с большими Ьа. Не менее важным является также: установление механизмов образования р и п- слоев, р-п перехода, возникающего при эпитаксиальном росте структуры из ограниченного раствора-расплава, и получения максимально больших коэффициентов инжекции носителей в п°- базу многослойной структуры.
Для решения этих задач требуется детальное изучение свойств используемых материалов и структур, измерения параметров приборов, оптимизации технологии
выращивания. К моменту начала работы было выяснено, что существовавшие традиционные методы исследования не дают исчерпывающей информации о свойствах материала и структуры, определяют их усредненные параметры. В ряде случаев параметры структур вообще не могут быть определены непосредственно из этих измерений и требуют дополнительной информации для их расчета. Наибольшие затруднения возникают при исследовании многослойных структур. При измерении большинства параметров
эпитаксиальных слоев и характеристик структур предъявляются требования: высокая локальность, отсутствие разрушения образцов в процессе измерения, возможность
комплексного измерения параметров. Этим требованиям отвечают электронно-зондовые методы исследования. (Основы электронно-зондового метода исследования
кристаллического материала кратко изложены в приложении 1). Для измерения параметров
23
эпитаксиальных слоев и характеристик структур был создан комплекс электронно-зондовых методик. Среди них такие известные как метод тока, индуцированного электронным зондом (ТИЭЗ), и катодолюминесценции (КЛ), а также новые, впервые созданные автором. Эти методики были разработаны с учетом специфики исследуемых структур и основаны на регистрации сигналов, возникающих при локальном возбуждении неравновесных носителей.
Традиционные исследования в режиме ТИЭЗ структур на основе нелегированного ОаАБ не позволяли объяснить физические процессы, идущие в таких структурах, и установить количественную взаимосвязь электрофизических параметров с закономерностями изменения величины и формы сигнала ТИЭЗ от уровня возбуждения и напряжения обратного смещения.
Нами на основе анализа экспериментальных кривых ТИЭЗ и предложенных теоретических моделей были разработаны методики, позволяющие определять ряд электрофизических параметров эпитаксиальных слоев и приборных структур [ 10-18] (§1.2.1). Автором был также разработан новый метод спектроскопии глубоких центров в полупроводниковых р-п структурах, основанный на регистрации модуляционного сигнала АІ, возникающего при комбинированном возбуждении неравновесных носителей с помощью электронного зонда и монохроматического ИК света (§1.2.2). К числу новых методик относится и методика, основанная на регистрации сигнала электролюминесценции (ЭЛ) и катодолюминесценции из одной и той же локальной области многослойной приборной структуры позволяющая изучать инжекционные свойства р-п структуры. Данные методики предоставляют возможность одновременно регистрировать целый ряд сигналов из одной и той же локальной области структуры: ТИЭЗ, КЛ, ЭЛ, АІ. Их сопоставление позволяет определять электрофизические параметры эпитаксиальных слоев и приборных структур, таких как: Ь«з в материалах с неоднородным распределением примеси, концентрацию и профиль распределения ионизованных центров; энергетическое положение, концентрацию и характер распределения глубоких центров. Кроме того, данные методики позволяет устанавливать тип структуры (р~-п°, р+-р°-п°, р-і-п), определять наличие высокоомной компенсированной области, устанавливать их протяженность; оценивать соотношение между концентрациями глубоких и мелких центров. Результаты этих исследований послужили основой для отработки технологических условий выращивания и оптимизации параметров приборной структуры.
Электронно-зондовые методы оказались достаточно эффективными при исследовании нелегированных слоев ваАя и структур на его основе, содержащих і-области. Они позволили
24
нам обнаружить дефекты с глубокими уровнями, определить их вклад в механизм компенсации [12] и влияние на величины электро-физических параметров, таких как Ld [13-15] и т.д.. Но результаты этих исследований по большей части носили качественный характер, затрудняли точную идентификацию дефектов и примесей. Разработанный нами метод модуляционной спектроскопии восполнял этот пробел [17-18]. Он позволял определять оптические параметры дефектов с глубокими уровнями. В 1976 г. появилась работа D. Lang [19], результатом которой был революционный переворот в методах исследования дефектов с глубокими уровнями. Разработанный им метод емкостной спектроскопии дефектов с глубокими уровнями (DLTS) позволил автоматизировать процесс измерения, увеличить на два-четыре порядка чувствительность по обнаружению глубоких уровней по сравнению с оптическими методами, существенно увеличил спектральное разрешение, расширил возможности по идентификации дефектов (Теоретические основы DLTS метода изложены в приложении 2). Для расширения наших возможностей по спектроскопии дефектов с глубокими уровнями в высокоомных нелигированных GaAs р-п структур нами была создана установка токового DLTS. Применение метода токового DLTS позволило провести исследования зависимости формирования p-n GaAs структур и генерации дефектов от температуры начала кристаллизации. Токовый DLTS метод весьма перспективен для исследования высокомных материалов - позволяет определять энергию термической ионизации центров и сечения захвата ими носителей основных и неосновных носителей, но у него есть существенные недостатки - в спектрах DLTS сигналы, связанные с ловушками основных и неосновных носителей неразличимы, кроме того, затруднительно точное определение концентрации глубоких центров. Поэтому в дальнейшем основным инструментом наших исследований дефектов с глубокими уровнями стал метод емкостной DLTS спектроскопии, который оказался эффективным при исследованиях спектров квантовых состояний точек, а также эффектов взаимодействия квантовых точек и дефектов.
В §1.3 приведены результаты исследований механизма компенсации эпитаксиальных слоев GaAs, выращенных методом ЖФЭ из ограниченного раствора-расплава, в зависимости от температуры начала кристаллизации, а также влияния термообработки на дефекты с ГУ и компенсацию. Компенсация и легирование слоев осуществлялись за счет фоновой примеси и дефектов. Установлено, что на подложках р+-типа при Ть=850-г950оС вырастали структуры р+- p°-i- п°, а при Ть=б50=-800°С -структуры типа р+- п°-типа.
В §1.4 приведены результаты исследований влияния содержания Bi в растворе-расплаве при выращивании GaAs методом ЖФЭ на концентрацию HL2 и HL5 дефектов.
25
Определена природа этих дефектов, являющихся комплексом собственных дефектов, в состав которого входит Уд*. Обнаружено, что при хі.в, >0.6 ат.д. происходит образование новой дырочной ловушки НР1. Появление НБ1 и ЕЬ2 дефектов связывается с изменением состава расплава в сторону увеличения содержания Аз по отношению к ба и увеличению собственных дефектов А^а и Уоа-
В § 1.5 сообщается о получении чистого, нелегированного, высокотемпературного ваР, выращенного методом жидкофазной. Приведены результаты исследований р-п егруктур ваР, выращенных при различных температурах начала кристаллизации, с помощью вольт-фарадного метода (С-У) и ВД/ПЗ. Полученные характеристики ОаР определяются низким уровнем концентрации фоновой примеси и дефектов с глубокими уровнями. Измерения температурной зависимости прямой ветви вольт-амперной характеристики показали, *гго термометрическая характеристика диода линейна в диапазоне температур от -191 °С до ~ +600°С.
1.2. Исследования электрофизических параметров и дефектов с глубокими уровнями в эпитаксиальных р-п структурах на основе нслегированного СаАэ электронно-зондовыми методами
1.2.1. Определение параметров закона рекомбинации в области объемного заряда р-п и р-і-п полупроводниковых структур с помощью электронного зонда
1.2.1.1. Особенности поведения ТИЭЗ и КЛ в структурах на основе нелегированного СаА8
При исследовании в режиме ТИЭЗ структур на основе нелегированного ОаАэ, выращенного методом жидкофазной эпитаксии, было обнаружено три участка: (1) участок кривой, определяемый процессами, происходящими в области пространственного заряда (ОПЗ) [10-12], (2) часть кривой, связанная с диффузионными процессами [13-15], (3) так называемый “хвост”, характеризующийся процессами переизлучения [16].
Нами на основе анализа экспериментальных кривых ТИЭЗ в трех рассматриваемых областях и предложенных теоретических моделей были разработаны методики, позволяющие определять ряд электрофизических параметров эпитаксиальных слоев и приборных структур. Среди них следует отметить: концентрацию и профиль распределения ионизованных центров, диффузионные длины неосновных носителей в материалах с
26
неоднородным распределением примеси; концентрацию и характер распределения глубоких центров. Кроме того, данные методики позволяли устанавливать тип структуры (р+ - п°, р-1-п, р+ - р° -п°), определять наличие высокоомных компенсированных областей и их протяженность; оценивать соотношение между концентрацией глубоких и мелких центров.
Проводимые нами электронно-зондовые исследования р-п структур на основе нелегированного эпитаксиального ваАя позволили обнаружить, что в зависимости от технологических условий выращивания формируется два основных типа структур: (1) с резким изменением концентрации электрически активных центров на 1ранице подложка-эпитаксиапьный слой (р+-п°-п+ типа) и (2) структуры с переходным р° слоем (р~-р°-п°-п+ типа). Второй тип структур в зависимости от толщины р° -слоем (шро) имел некоторые отличия друг от друга в форме кривых ТИЭЗ [10-12]. Структуры первого типа формировались при более низких температурах выращивания (650 800)°С , чем структуры
второго типа (800 -*■ 900)°С. Для этих структур было характерным различие в поведении ТИЭЗ (1„) в квазинейтральной области, в ОПЗ при приложении напряжения обратного смещения и0 и в профиле распределения интенсивности катодолюминесценции (КЛ) по толщине структуры (рис. 1.1.). Рассмотрим особенности в поведении кривых ТИЭЗ в ОПЗ р+-п°-п+ и р+-р°-п°-п+ структур при сканировании электронным зондом в плоскости, перпендикулярной плоскости р-п перехода. В структурах р+-п°-п+ типа максимум кривой ТИЭЗ и минимум кривой распределения интенсивности КЛ излучения совпадают с границей подложка - эпитаксиальный слой. При приложении и0 кривая ТИЭЗ расширяется, смещаясь в слаболегированный п°- слой в соответствии с изменением толщины ОПЗ (рис. 1.1 .а), и уже при сравнительно малых ио кривая ТИЭЗ достигает насыщения. При этом профиль распределения интенсивности КЛ излучения является зеркальным отображением кривой ТИЭЗ. Зависимость величины 1и от уровня возбуждения О (0~1п, где в- скорость генерации электронно-дырочных пар пучком быстрых электронов в области торможения первичных частиц Оо» 1п - ток поглощенных электронов) была линейной (рис. 1.2.). Интенсивность КЛ излучения в ОПЗ практически не зависела от уровня возбуждения. Коэффициент собирания <2, определяемый с помощью соотношения [20]:
I Е , ц (3= И еЬ_.о (1
27
р+ I п° |п+ Р+ 1 р° 1 п° | п+ ^2^ р+| р° 1 п° 1 п4 ъ/
а — С. 1.. Ь .. 1- .1 1 1 м \ Ж- .1™ ... -1~-
О 40 0 40 0 40
х,\1гп
Рис. 1.1. Кривые (I) профиля распределения излучения интегральной КЛ, (II) индуцированного тока (а) р+-п°-п+, (б) и (в) р+-р°-п°-п+ СаАэ структур при ио (В): 1 -0,2 - 60, 3-120,4- 180.
а.и
Рис. 1.2. Зависимость интенсивности КЛ излучения 1,^ от величины тока поглощенных электронов 1П р+-р°-п°-п+ ОаАэ структуры.