Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 12 Трансформация центров безызлучательной рекомбинации в структурах с GaAs/AlGaAs-квантовыми ямами, обработанными в CF4-плазме, при низкотемпературном отжиге й К.С. Журавлев, А.Л. Соколов, К.П. Могильников Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 7 апреля 1998 г. Принята к печати 27 апреля 1998 г.) Изучено влияние низкотемпературного отжига на фотолюминесценцию структур с AlGaAs/GaAs-одиночными квантовыми ямами, обработанных в низкоэнергетичной CF4-плазме. Установлено, что отжиг при температурах 160-300C приводит к падению интенсивности фотолюминесценции квантовых ям, расположенных в приповерхностной области, а отжиг при температурах 350-450C Ч к частичному восстановлению их фотолюминесценции. Определены энергия активации диффузии генерированных плазмой точечных дефектов и энергия активации отжига этих дефектов. Эти энергии равны 150 и 540 мэВ соответственно.

Обнаружено, что фотолюминесценция ближней к подложке квантовой ямы, имевшая низкую интенсивность фотолюминесценции в исходном образце, при обработке в плезме возрастает, а при последующем отжиге монотонно уменьшается с ростом температуры отжига. Повторная обработка в CF4-плазме вновь приводит к увеличению интенсивности фотолюминесценции этой квантовой ямы. Предполагается, что индуцированные CF4-плазмой дефекты образуют комплексы с дефектами, введенными при росте, и эти комплексы не являются центрами рекомбинации. При низкотемпературном отжиге комплексы распадаются и вновь образуются центры безызлучательной рекомбинации.

Введение Условия эксперимента Обработка в низкоэнергетичной плазме, содержащей Для эксперимента использовалась GaAs/Al0.3Ga0.7Asфтор, широко используется для селективного удале- структура, выращенная на подложке полуизолирующего ния масок из SiO2 и Si3N4 с поверхности структур GaAs ориентации (100). Она состояла из буферного AIIIBV при изготовлении различных микроэлектрон- слоя GaAs толщиной 1 мкм, слоя Al0.3Ga0.7As толщиных приборов и низкоразмерных структур. Для пол- ной 0.5 мкм и шести КЯ из GaAs толщиной 2.2, 2.8, ного удаления материала маски структуры перетра- 3.4, 4.2, 5.6 и 8.5 нм, разделенных барьерами Al0.3Ga0.7As вливают, при этом ниже лежащие слои бомбардиру- толщиной 24 нм. Толщина КЯ возрастала по мере увеются ионами плазмы и повреждаются. Вносимые при личения глубины их залегания. Внутри 0.5 мкм слоя этом дефекты существенно изменяют люминесцентные и Al0.3Ga0.7As была выращена короткопериодная сверхэлектрические свойства приповерхностных слоев струк- решетка GaAs/AlAs, предотвращающая диффузию притур [1Ц14].

месей и точечных дефектов в структуру из подложки.

Для исследования дефектов, генерированных в припо- Сверху структура была закрыта слоем GaAs толщиной верхностной области структур, авторами работы [1] было 10 нм. Обработка производилась в CF4-плазме при дапредложено исследовать спектры фотолюминесценции влении 0.07 Торр, плотности мощности 1 Вт/см2 и потен(ФЛ) структур с GaAs/AlGaAs-одиночными квантовыми циале автосмещения равном примерно -300 В. Быстрые ямами (КЯ). Экспозиция таких структур в низкоэнерге- термический отжиг проводился в атмосфере аргона потичной плазме приводит к уменьшению интенсивности следовательно при температурах от 160 до 450C в ФЛ КЯ, расположенных в приповерхностной области, течение 30 с при каждом значении температуры. Нагрев из-за генерации точечных дефектов, которые являются структур производился с помощью галогеновых ламп центрами безызлучательной рекомбинации. Нами было накаливания мощностью 20 кВт. Для предотвращения обнаружено, что экспозиция структур с GaAs/AlGaAs испарения мышьяка с поверхности образец накрывался КЯ в низкоэнергетичной плазме (CF4, Ar, Kr) может пластиной GaAs. Возбуждение ФЛ осуществлялось вызывать не только уменьшение, но также и увеличение HeЦNe-лазером на длине волны 632.8 нм с плотностью ФЛ КЯ, расположенных глубже поврежденной обла- мощности 20 Вт/см2. Коэффициент поглощения для сти [4]. В данной работе для выяснения причин инду- данной длины волны в GaAs и Al0.3Ga0.7As при 77 K цированного плазмой возрастания ФЛ КЯ было исследо- равен 3 104 и 1 104 см-1 соответственно, поэтому в вано влияние температуры отжига на интенсивность ФЛ используемой структуре вблизи каждой квантовой ямы КЯ в струкутрах, экспонированных в низкоэнергетичной поглощалось примерно 3% возбуждающего излучения, CF4-плазме. что обеспечивало их однородное возбуждение.

Трансформация центров безызлучательной рекомбинации в структурах с GaAs/AlGaAs-квантовыми... Рис. 1. a) Изменение спектра ФЛ структуры с GaAs/AlGaAs квантовыми ямами в результате обработки структуры в низкоэнергетичной CF4-плазме и последующего отжига. Толстой линией показан спектр ФЛ исходного образца; тонкой линией Ч спектр ФЛ образца, экспонированного в плазме; штриховой линией Ч спектр ФЛ после отжига образца при 450C. Номера 1Цсоответствуют линиям ФЛ от квантовых ям толщиной 2.2, 2.8, 3.4, 4.2, 5.6 и 8.5 нм соответственно. b) Изменение спектра ФЛ в результате повторной обработки структуры в CF4-плазме и повторном отжиге. Толстой линией показан спектр ФЛ образца после первой обработки в плазме и первого отжига, штриховой линий Ч спектр ФЛ образца после повторной обработки в плазме, а тонкой линий Ч спектр ФЛ образца после повторного отжига. Номера 1Ц6 соответствуют линиям ФЛ от квантовых ям толщиной, соответственно, 2.2, 2.8, 3.4, 4.2, 5.6 и 8.5 нм.

Результаты в CF4-плазме наблюдается уменьшение интенсивности линий ФЛ двух ближайших к поверхности КЯ и возНа рис. 1, a приведены спектры ФЛ структуры с растание интенсивности линий ФЛ самой заглубленной GaAs/AlGaAs КЯ до экспозиции, после 120 с экспозиции КЯ. При отжиге структуры при T = 450C интенсивв низкоэнергетичной CF4-плазме и после низкотемпера- ность линий ФЛ ближайших к поверхности КЯ частично турного (T = 450C) отжига структуры, обработанной в восстанавливается, в то же время интенсивность линии плазме. Из рисунка видно, что спектр исходного образца ФЛ самой заглубленной КЯ снижается и практически содержит 7 линий. Линия ФЛ с максимумом на 822 нм возвращается к уровню интенсивности ФЛ, существовавсоответствует переходу зонаЦзона в слое GaAs. Осталь- шему в структуре до экспозиции в плазме. Необходимо ные 6 линий соответствуют переходам между уровнями отметить, что энергетическое положение линий ФЛ не размерного квантования электронов и тяжелых дырок изменяется при экспозиции структуры в плазме и после(1ehh) в шести КЯ различной толщины. Интенсивность дующем отжиге.

иний ФЛ пяти ближайших к поверхности структуры Повторная экспозиция в CF4-плазме отожженных КЯ высока и примерно одинакова, что свидетельствует о структур, как видно из рис. 1, b, вновь приводит к хорошем качестве КЯ. В то же время интенсивность ФЛ возрастанию интенсивности ФЛ самой заглубленной КЯ, линий самой заглубленной от поверхности структуры а последующий отжиг структуры вызывает падение ее КЯ существенно меньше, по-видимому, из-за большой ФЛ. Такое поведение ФЛ указывает на обратимый концентрации дефектов, образовавшихся при росте этой характер процессов, происходящих в районе ближайшей КЯ и являющихся центрами бузызлучательной реком- к подложке КЯ при обработке в CF4-плазме и низкотембинации. После экспозиции структуры в течение 120 с пературном отжиге.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1452 К.С. Журавлев, А.Л. Соколов, К.П. Могильников Рис. 1 (продолжение).

На рис. 2 показано изменение интенсивностей ФЛ КЯ, доминирует процесс, приводящий к увеличению темпа нормированных на интенсивности ФЛ КЯ в исходной безызлучательной рекомбинации в КЯ. Скорее всего структуре, при обработке в CF4-плазме при разных тем- в области КЯ увеличивается концентрация точечных пературах. При нормировке в качестве маркера исполь- дефектов, которые диффундируют из приповерхностной, зовалась ФЛ слоя GaAs, который расположен достаточно поврежденной плазмой области структуры. Полученные далеко от поверхности структуры и не повреждается при данные позволяют определить энергию термической акэкспозиции в плазме. Линия ФЛ ближней к поверхности тивации диффузии этих дефектов. Действительно, после КЯ после выдержки в плазме не регистрировалась. Ин- экспозиции в CF4-плезме ФЛ второй от поверхности тенсивность ФЛ следующих за ней четырех КЯ после структуры (2.8 нм) КЯ снижается примерно в 100 раз обработки в плазме снизилась и продолжала снижаться и доминирующей в ней является безызлучательная рес повышением температуры отжига от 160 до 300C. комбинация. В этом случае интенсивность ФЛ (IPL) При дальнейшем увеличении температуры отжига от 300 обратно пропорциональна концентрации центров безыздо 450C интенсивность ФЛ этих КЯ увеличивалась. лучательной рекомбинации (NNR), и если предположить, Из рисунка также видно, что интенсивность ФЛ самой что доминирует один тип центров безызлучательной заглубленной КЯ в отличие от интенсивности линий ФЛ рекомбинации, то справедливо следующее соотношение остальных КЯ после экспозиции в плазме увеличилась IPL/I0 = 1/(a NNR). (1) более чем в 10 раз, а при последующем отжиге структуры монотонно снижалась.

Здесь I0 Ч интенсивность возбуждающего света, a Ч коэффициент, зависящий от сечений захвата носителей на центры рекомбинации, определить который из имеюОбсуждение результатов щихся данных не представляется возможным.

Полученные экспериментальные результаты свиде- На рис. 3, a показана зависимость концентрации центельствуют о том, что в поврежденной плазмой области тров безызлучательной рекомбинации 2-й от поверхноструктуры при отжиге происходят два конкурирующих сти структуры КЯ от температуры отжига, построенная процесса. При низких температурах отжига (до 300C) с помощью выражения (1), а также аппроксимация этой Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Трансформация центров безызлучательной рекомбинации в структурах с GaAs/AlGaAs-квантовыми... Рис. 2. Изменение нормированной интенсивности ФЛ различных КЯ (со 2-й по 6-ю) вследствие плазменной обработки и последующего отжига при различных температурах.

зависимости выражением вида При температурах отжига выше 300C ФЛ КЯ частич но восстанавливается, вероятно, из-за отжига индуциро NNR = N0 exp -x2/(4 t D) 2 D t. (2) ванных плазмой дефектов. На рис. 3, b приведены экспериментальная зависимость концентрации дефектов в описывающим изменение концентрации дефектов при области 2-й от поверхности КЯ от обратной температуры диффузии из бесконечно тонкого источника [15]. Здесь и ее аппроксимация кривой вида N0 Ч исходная концентрация центров безызлучательNNR = N0 exp(-EA/kT ). (4) ной рекомбинации, x Ч расстояние от поверхности структуры до КЯ, t Ч время термообработки, D Ч Энергия термической активации этого процесса состакоэффициент диффузии дефектов, зависимость которого вляет EA = 0.54 0.04 эВ.

от температуры имеет вид Дефекты, гасящие ФЛ, как видно из рис. 2, достигают только 4-й от поверхности (4.2 нм) КЯ и не D = D0 exp[-Ea/kT ], (3) проходят глубже. Тем не менее интенсивность ФЛ 6-й, где D0 Ч предэкспоненциальный множитель, Ea Ч самой заглубленной КЯ, возросшая после экспозиции в энергия активации диффузии дефектов, T Ч температура плазме, при отжиге структуры уменьшается. Возрастаотжига, k Ч постоянная Больцмана. ние интенсивности ФЛ КЯ после экспозиции структур Наилучшее совпадение экспериментальной и рас- в плазме может быть обусловлено аннигиляцией или четной кривых в диапазоне температур 160 - 300C трансформацией дефектов Ч центров безызлучательной достигается при значениях Ea = 0.15 0.07 эВ рекомбинации, существовавших в структуре до обраи D0 =(8.4 6.6) 1011 см2/с. Необходимо отметить, ботки, в результате их взаимодействия с точечными что полученное значение Ea значительно меньше вели- дефектами, образующимися при экспозиции структур в чин энергий активации диффузии собственных точечных плазме. Ранее мы предположили, что возрастание ФЛ дефектов в GaAs, которые составляют 1.5-3эВ [16]. происходит в результате аннигиляции вакансий, введенВероятно, в повержденной плазмой области структуры ных при росте КЯ, с межузельными атомами, аномально диффузия дефектов существенно облегчается. быстро диффундирующими из поврежденной области [4].

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1454 К.С. Журавлев, А.Л. Соколов, К.П. Могильников Рис. 3. Зависимость концентрации центров безызлучательной рекомбинации в районе 2-й от поверхности структуры КЯ от обратной температуры отжига в диапазоне температур 300 - 450C (a) и 160-300C (b). Отдельные точки Ч экспериментальные данные, сплошная линия Ч расчетная кривая.

Это предположение не подтверждается полученными туры. Эти комплексы не являются центрами рекомбив данной работе результатами. Действительно, энергия нации. При отжиге структур комплексы разрушаются образования вакансий составляет не менее 1 эВ [16] и и ростовые дефекты, являющиеся центрами безызлучапри используемых в работе температурах отжига веро- тельной рекомбинации, высвобождаются. В пользу того, ятность их образования очень мала. Возрастание ФЛ, что отжиг приводит к восстановлению дефектов того же видимо, связано с образованием комплексов, состоящих типа, а не введению новых дефектов, свидетельствует из быстро диффундирующих дефектов, индуцированных возможность удаления дефектов, введенных при отжиге, плазмой, и дефектов, введенных в КЯ при росте струк- при повторном воздействии плазмы.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Трансформация центров безызлучательной рекомбинации в структурах с GaAs/AlGaAs-квантовыми... В процессе экспозиции в плазме могут образовываться [5] К.С. Журавлев, В.А. Колосанов, В.Г. Плюхин, Т.С. Шамирзаев. ЖТФ, 64, 185 (1994).

собственные точечные дефекты полупроводника или им[6] C. Juang, J.K. Hsu, I.S. Yen, H.S. Shiau. J. Appl. Phys., 72, плантироваться химические примеси, присутствующие 684 (1992).

в камере установки плазменной обработки. Возмож[7] S.V. Dubonos, S.V. Koveshnikov. Phys. St. Sol. (A), 77, ность пассивации центров безызлучательной рекомби(1990).

нации собственными точечными дефектами, насколько [8] W. Beinstingl, R. Christanel, J. Smoliner, C. Wirner, E. Gornik, нам известно, в литературе не обсуждалось. С другой G. Weinmann, W. Shlapp. Appl. Phys. Lett., 57, 177 (1990).

стороны, в настоящее время установлено, что пассиви[9] F. Ren, J.W. Lee, C.R. Abernathy, C. Constantine, C. Barratt, ровать дефекты, являющиеся центрами безызлучательR.J. Shul. Appl. Phys. Lett., 70, 2410 (1997).

ной рекомбинации в GaAs- и GaAs/AlGaAs-структурах, [10] J.C. Nebity, Michael Stavola, J. Lopata, W.C. Dautremonможет водород, который образует комплексы с этими Smith, C.W. Tu, S.J. Pearton. Appl. Phys. Lett., 50, 921 (1987).

дефектами [10Ц12]. Известно также, что такие комплек- [11] A.W. Leich, Th. Prescha, J. Weber. Phys. Rev. B, 44, (1991).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам