Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Влияние условий молекулярно-лучевой эпитаксии на захват кремния в подрешетки А и В арсенида галлия + й И.А. Бобровникова, М.Д. Вилисова, И.В. Ивонин, Л.Г. Лаврентьева, В.В. Преображенский, + + М.А. Путято, Б.Р. Семягин, С.В. Субач, С.Е. Торопов Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, 634050 Томск, Россия Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия + Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 5 декабря 2002 г. Принята к печати 17 декабря 2002 г.) Исследовано влияние концeнтрации легирующей примеси и кристаллографической ориентации поверхности роста на захват кремния в подрешетки А и В при молекулярно-лучевой эпитаксии арсенида галлия. Слои арсенида галлия выращивались на подложках GaAs ориентаций (100), 2(100), 4(100), 8(100) при температуре 520C и на подложках ориентаций (111)А, 2(111)A, 5(111)A, 6(111)A, 8(111)A при температуре 480C. Концентрация кремния варьировалась в пределах 1017-1019 cм-3.

С помощью электрофизических и фотолюминесцентных методов исследований обнаружено, что примесь кремния присутствует в слоях GaAs в узлах обеих подрешеток как в элементарном виде (SiGa, SiAs), так и в виде комплексов типа SiGaЦSiAs, SiGa-VGa и SiAs-VAs. Концентрация Si в различных формах зависит от уровня легирования слоев и ориентации поверхности роста. Амфотерные свойства кремния проявляются на грани (111)А сильнее, чем на грани (100). Показано, что формирование примесных дефектов происходит на стадии кристаллизации слоя и определяется структурой ростовой поверхности.

1. Введение 8(100) при температуре 520C и на подложках ориентаций (111)A, 2(111)A, 5(111)A, 6(111)A, 8(111)A Развитие микро- и наноэлектроники требует посто- при температуре 480C. Отношение потоков мышьяка и галлия равнялось 20. Скорость роста определялась янного совершенствования технологии молекулярно-лупотоком галлия и была постоянной Ч 1 мкм/ч. Конценчевой эпитаксии (МЛЭ). Определяющее влияние на трация кремния в слоях ориентации (100) варьировалась свойства легированных эпитаксиальных слоев оказывав пределах 1017-1019 см-3 путем изменения температует то, в каких формах примесь входит в слои, что ры источника Si. При выращивании слоев на подложках в свою очередь зависит от условий выращивания и других ориентаций температура источника Si поддеркристаллографической ориентации поверхности роста.

живалась постоянной и соответствовала концентрации Известно [1Ц8], что ориентация поверхности может кремния в слоях NSi 1018 см-3.

существенно влиять на электрические и оптические Электрофизические параметры слоев определяли из свойства слоев, на формирование собственных и приизмерений электропроводности и эффекта Холла. Спекмесных дефектов, а в случае легирования GaAs амфотры фотолюминесценции (ФЛ) измерялись при 77 K, терной примесью Si варьирование ориентации поверхвозбуждение осуществлялось лазером ЛГ-75 на длине ности может изменять распределение примеси между волны 635 нм, регистрация излучения Ч германиевым подрешетками А и В. Однако механизм этого явлефотоприемником. Концентрация оптически активных ния недостаточно изучен. В данной работе приводятся центров Ni оценивалась (с точностью до постоянного результаты исследований влияния концентрации легимножителя) по формуле [9,10] рующей примеси и кристаллографической ориентации поверхности роста на захват кремния в подрешетNi CnIi/Icv, (1) ки А и В при молекулярно-лучевой эпитаксии арсенида где n Ч концентрация электронов, Ii Чинтенсивность галлия.

полосы ФЛ, соответствующей данному типу дефектов, Icv Ч интенсивность краевого излучения, C Ч константа для данного типа центров. Формула получена 2. Методика эксперимента на основании расчетов, проведенных в [11] для глубоких центров излучательной рекомбинации в n-GaAs, Слои арсенида галлия толщиной 1 мкм были выраи применима в условиях низких температур и невыщены в установке МЛЭ ДКатуньУ на полуизолирующих сокого уровня возбуждения. Такая оценка позволяет подложках GaAs ориентаций (100), 2(100), 4(100), избежать влияния центров безызлучательной рекомби E-mail: bia@ic.tsu.ru нации.

Влияние условий молекулярно-лучевой эпитаксии на захват кремния в подрешетки А и В... Рис. 1. Спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев GaAs ориентации (100), легированных до концентраций n, 1018 см-3:

a Ч0.3, b Ч1, c Ч3, d Ч7.

3. Результаты эксперимента ми при 1.2 и 1.48 эВ (рис. 1, c), интенсивность которых возрастает с ростом концентрации кремния в слоях. При и их обсуждение концентрации электронов n 7 1018 см-3 в спектрах 3.1. Влияние уровня легирования на захват слоев преобладает полоса излучения 1.2 эВ (рис. 1, d).

кремния в слои GaAs Идентификация наблюдаемых полос излучения проводилась путем сопоставления с известными литературныИзмерения показали, что все легированные эпитаксими данными. Излучение в области 1.2 эВ характерно для альные слои GaAs имеют n-тип проводимости. КонценGaAs n-типа, легированного примесью Si, и связывается трация электронов в слоях ориентации (100) изменяется с дефектами типа SiGa-VGa [11Ц15]. Полоса 1.36 эВ в диапазоне от 1017 до 1019 см-3 при увеличении потообычно приписывается комплексу, включающему атом ка Si.

примеси в мышьяковой позиции и вакансию мышьяка Фотолюминесцентные свойства слоев GaAs, выращенSiAs-VAs, и чаще присутствует в спектрах слоев GaAs ных на грани (100), существенно зависят от уровня p-типа, выращенных при сравнительно низких отнолегирования кремнием. В спектрах ФЛ слоев с конценшениях потоков мышьяка к галлию [5,6,13]. Полоса трацией электронов n 1017-1018 см-3 присутствуют с максимумом 1.48 эВ обусловлена, по всей видимости, три полосы излучения Ч краевая полоса с энергией дефектом SiGaЦSiAs [5,16].

максимума 1.51 эВ и две полосы излучения в примесной Данные о природе полосы излучения в области области спектра с максимумами, расположенными при 1.36 и 1.43Ц1.44 эВ (рис. 1, a). Интенсивность Дпримес- 1.43Ц1.44 эВ противоречивы. Ее связывают с переходами ныхУ полос увеличивается с ростом уровня легирования из зоны проводимости на акцепторные уровни собствен(рис. 1, b). В спектрах слоев с n > 2 1018 см-3 в примес- ных VGa, GaAs [6], либо примесных дефектов SiAs [8].

ной области появляются полосы излучения с максимума- Во всяком случае считается установленным, что полоса 4 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1074 И.А. Бобровникова, М.Д. Вилисова, И.В. Ивонин, Л.Г. Лаврентьева, В.В. Преображенский...

ющие атом кремния в узле галлия и вакансию галлия SiGa-VGa, а также пары SiGaЦSiAs (полосы ФЛ 1.2 и 1.48 эВ соответственно). Как можно видеть из рис. 2, концентрация этих комплексов возрастает с ростом уровня легирования более резко Ч по закону, близкому к квадратичному. В сильно легированных кремнием слояx (n > 7 1018 см-3) основным типом примесных дефектов, наряду с донорами SiGa, становятся комплексы SiGa-VGa.

3.2. Влияние ориентации поверхности роста на захват кремния в слои GaAs Электрофизические параметры слоев GaAs, выращенных на подложках разных ориентаций при постоянном потоке кремния, приведены в таблице. Можно видеть, что концентрация электронов в слоях (100) несколько выше, чем в слоях ориентации (111)А, и составляет 1.2 1018 и 9.2 1017 см-3 соответственно. Отметим, что это различие в концентрации электронов не может быть Рис. 2. Зависимости концентрации дефектов SiGa-VGa (1), связано с разной температурой роста слоев на поверхноSiGaЦSiAs (2), SiAs (3) и SiAs-VAs (4) от уровня легирования стях (111)Аи (100), так как, по данным [12], изменение слоев GaAs ориентации (100).

температуры роста в диапазоне от 425 до 520C не влияет на концентрацию электронов в легированных Si cлоях.

излучения в области 1.43Ц1.44 эВ соответствует элеменИзмерения фотолюминесцентных характеристик слотарному акцепторному дефекту. По нашему мнению, ев показали, что в спектрах эпитаксиальных слоев GaAs существование антиструктурных дефектов GaAs в исслевсех ориентаций наблюдаются те же полосы ФЛ, что дованных слоях маловероятно, так как процесс МЛЭ и для слоев ориентации (100) с аналогичным уровнем идет в условиях избытка мышьяка. Вакансии галлия легирования, а именно Ч полосы с энергиями максимув арсениде галлия традиционно считаются центрами мов 1.51, 1.36 и 1.43Ц1.44 эВ. Интенсивность этих полос безызлучательной рекомбинации. Кроме того, данная существенно зависит от ориентации поверхности роста.

полоса не наблюдалась нами в спектрах ФЛ нелегироВ качестве примера на рис. 3 приведены спектры ФЛ ванных слоев GaAs. Исходя из этого мы считаем, что для слоев ориентаций (100) и (111)А. Можно видеть, полоса излучения в области 1.43Ц1.44 эВ обусловлена что интенсивность ДпримесногоУ излучения в области дефектами SiAs.

1.3Ц1.4 эВ для грани (111)А выше, чем для грани (100).

Таким образом, результаты электрофизических и Причем в спектрах слоев ориентации (100) интенсивфотолюминесцентных исследований свидетельствуют ности обеих примесных полос сравнимы по величине, а о том, что примесь кремния присутствует в слоях GaAs в слоях ориентации (111)А преобладает коротковолнов узлах обеих подрешеток как в элементарном виде, вое излучение в области 1.43 эВ.

так и в виде комплексов с собственными дефектами.

Полученные экспериментальные данные свидетельКонцентрация Si в различных формах зависит от уровня ствуют о том, что концентрация примеси кремния легирования слоев. Так как все исследованные слои в слоях GaAs, захватываемой в различных формах, суимели n-тип проводимости, можно заключить, что основ- щественно зависит от ориентации поверхности роста. На ная часть атомов кремния в слоях занимает галлиевые позиции SiGa, выступая в качестве мелких доноров. При Концентрация носителей заряда в слоях GaAs концентрации примеси n > 1017 см-3 атомы кремния занимают не только галлиевые, но и мышьяковые узОриентация Концентрация лы, проявляя амфотерные свойства. При этом атомы поверхности электронов, 1018 см-примеси в узлах мышьяка могут присутствовать как (100) 1.в виде элементарных акцепторов SiAs, так и в виде 2(100) 1.более сложных дефектов Ч комплексов с собственными 4(100) 1.дефектами типа SiAs-VAs (полосы ФЛ 1.43 и 1.36 эВ 8(100) 1.соответственно). Концентрация этих дефектов линейно (111)A 0.возрастает с ростом уровня легирования (рис. 2). При 5(111)A 0.концентрации примеси n > 2 1018 см-3 в слоях появ- 6(111)A 0.8(111)A 0.ляются и начинают превалировать комплексы, включаФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Влияние условий молекулярно-лучевой эпитаксии на захват кремния в подрешетки А и В... Рис. 3. Спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев GaAs ориентации: a Ч (100), b Ч (111)A. Концентрация электронов в слоях составляет 1.2 1018 и 9.2 1017 см-3 соответственно.

грани (111)А, по сравнению с гранью (100), понижается В то же время концентрация примесных дефектов концентрация электронов в слоях, т. е. дефектов SiGa в подрешетке мышьяка, по данным фотолюминесцент(см. таблицу), и увеличивается концентрация дефектов ных измерений, существенно зависит от угла отклов подрешетке мышьяка, в основном дефектов SiAs (воз- нения. На рис. 4 приведены ориентационные зависимости концентрации акцепторов SiAs и комплексов растает интенсивность соответствующих полос ФЛ Ч рис. 3). По данным электрофизических измерений, воз- SiAs-VAs. Можно видеть, что концентрация простых дефектов в подрешетке мышьяка SiAs максимальна в обеих растает также степень компенсации в слоях (от 0.35 до сингулярных гранях и уменьшается при разориентации, 0.5). Эти результаты говорят о том, что амфотерные т. е. наблюдается обычный фасеточный эффект.

свойства кремния сильнее проявляются на грани (111)А, Зависимость концентрации комплексов SiAs-VAs от чем на грани (100).

угла отклонения вблизи граней (100) и (111)А носит Существование ориентационной зависимости конценразличный характер. Концентрация этих дефектов мактрации примесных дефектов в слоях GaAs свидетельсимальна на грани (100) и уменьшается при отклонении ствует о том, что их образование зависит от структуры от нее. При отклонении от сингулярной грани (111)А поверхности роста. Различия в структуре сингулярных концентрация комплексов изменяется слабо: сначала граней (100) и (111)А связаны с разницей в плотности несколько возрастает, а затем снижается.

свободных химических связей на поверхности. Именно При отклонении от сингулярной грани на поверхнос таких позиций объясняется наблюдавшаяся в ряде сти создается рельеф, представляющий собой ступени работ [2Ц8] повышенная амфотерность кремния в слоях с террасами, имеющими индексы грани, от которой проарсенида галлия на грани (111)А, по сравнению с граизводится отклонение, и торцами, имеющими индексы нью (100). Согласно рассуждениям авторов, на грани той грани, в направлении которой идет разориентация.

(111)А, имеющей по одной оборванной связи на атом, Размер террас (расстояние между ступенями ) можно создаются неблагоприятные условия для диссоциации рассчитать, используя выражение молекул мышьяка и встраивания атомов мышьяка в кристалл (по сравнению с поверхностью (100), имеющей Nsth = tg, по 2 оборванные связи на атом), и атомы кремния более эффективно конкурируют с атомами мышьяка, встраивагде Nst = 1/ Ч плотность ступеней, h Ч их высота, ясь в мышьяковые узлы. Таким образом, на грани (111)А составляющая 2.82 при отклонении от грани (100) и наблюдается, как правило, более высокая концентрация 3.26 при отклонении от грани (111)А. На рис. 4, a акцепторов по сравнению с другими ориентациями, что (кривая 1) приведена рассчетная зависимость ().

согласуется и с нашими экспериментами.

Можно видеть, что с увеличением угла отклонения Исследование влияния малоугловых отклонений от от сингулярной грани расстояние между ступенями сингулярных граней на свойства слоев GaAs показало, уменьшается, что в большей части интервала корреличто при разориентации слоев концентрация электронов, рует с ходом зависимостей концентрации дефектов SiAs т. е. простых примесных дефектов в подрешетке галлия и SiAs-VAs от. Наличие такой корреляции означает, SiGa, изменяется слабо (см. таблицу). что формирование примесных дефектов в подрешетке 4 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1076 И.А. Бобровникова, М.Д. Вилисова, И.В. Ивонин, Л.Г. Лаврентьева, В.В. Преображенский...

Рис. 4. Расчетная величина расстояния между ступенями (1), концентрация дефектов SiAs (2) и SiAs-VAs (3) в зависимости от угла отклонения от сингулярной грани: a Чот грани (100) в сторону плоскости (111)А; b Чот грани (111)А в сторону плоскости (100).

мышьяка определяется в основном поверхностными про- этого вопроса необходимы дальнейшие исследования и, цессами, происходящими на террасах поверхности роста. в частности, проведение расчетов состава адсорбционных слоев в системах МЛЭ.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам