Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 11 Влияние термообработки на люминесценцию полуизолирующих нелегированных кристаллов GaAs й К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 21 февраля 2000 г. Принята к печати 24 апреля 2000 г.) Изучены изменения спектров краевой фотолюминесценции полуизолирующих нелегированных кристаллов GaAs, вызванные их термообработкой при 900C в течение 20Ц90 мин. Показано, что термическое воздействие существенно видоизменяет (преобразует) экситонную часть спектра. Наблюдаемые изменения в спектрах объясняются изменениями в примесном составе изучаемых кристаллов, стимулированными термообработкой.

1. Введение углерода (концентрация 6 1015 см-3), они компенсировали дефекты EL2.

Термообработка полуизолирующих специально не леТермообработка кристаллов ПИН GaAs (размеры кригированных кристаллов арсенида галлия (далее кристалсталлов 12 4 2мм-3) проводилась при T = 900C лы ПИН GaAs) при температурах Ta = 800-1100C в течение времени t от 20 до 90 мин в откачанных и широко используется для повышения однородности расзапаянных кварцевых ампулах с последующим быстрым пределения в них различных примесей и дефектов (см., (со скоростью 100Ц200C/мин) охлаждением на воздухе.

например, обзор [1] и соответствующие ссылки в нем).

Прогрев не изменял тип проводимости кристаллов, мог Очевидно, что в процессе такой термообработки пронесколько (максимум в 1.5 раза) понижать величину n0 исходит не только повышение однородности кристали не приводил к заметным изменениям, превышающим лов ПИН GaAs, но и существенные изменения в их точность определения (15%) и разброса по сечению примесно-дефектном составе.

кристалла (10%), концентрации дефектов EL2 и атоНастоящая работа посвящена изучению влияния термов углерода в них.1 Однако термическое воздействие мообработки при Ta = 900C на люминесцентные свойвызывало заметные изменения концентрации центров ства кристаллов ПИН GaAs. Вызванные термическим безызлучательной рекомбинации неравновесных носитевоздействием вариации в спектрах фотолюминесценции лей тока.

(ФЛ) кристаллов ПИН GaAs позволяет судить об измеАнализ спектров ФЛ кристаллов ПИН GaAs провонениях в примесно-дефектном составе арсенида галлия дился при температурах T = 4.2 и 77 K в диапазоне (большинство линий в спектрах ФЛ арсенида галлия энергий h = 1.4-1.6 эВ на спектрометре МДР-надежно идентифицированы, т. е. известны примеси и с разрешением не хуже 0.3 мэВ. Регистрация сигдругие дефекты, ответственные за них [1]).

нала осуществлялась охлаждаемым фотоумножителем ФЭУ-62. Люминесценция возбуждалась сильно поглощаемым излучением HeЦNe-лазера, интенсивность осве2. Методика исследований щения L = 1018-1020 фот/см2с, направление распространения света y. Источником рекомбинационного Для исследований использовались полуизолирующие излучения являлась узкая (протяженностью несколько специально не легированные кристаллы n-GaAs (удельмикрометров) область вблизи поверхности GaAs. Вид ное сопротивление 108 Ом см при температуре спектров ФЛ (положение максимума и полуширина поT 293 K и при T 200 K) диаметром лос люминесценции, а также соотношение между их 50 мм, полученные методом Чохральского в тиглях из интенсивностями) практически не зависел от L. Попиролитического нитрида бора с герметизацией жидэтому далее приведены спектры и интенсивности полос ким флюсом B2O3 в инертной атмосфере при давлении ФЛ, измеренные при L = 1019 фот/см2 с. Несомненно, P = 3 атм. Кристаллы выращивались в условиях, близких генерируемые лазерным излучением фотодырки и фок стехиометрическим, концентрация равновесных электоэлектроны (в концентрации p и n соответственно) тронов составляла n0 107 см-3 при T = 293 K и определяют проводимость кристаллов арсенида галлия n0 0приT 200 K, n0 exp(-0.75 эВ/кТ), плотность (очевидно, p, n n0) и в значительной степени дислокаций (3.2-4.8) 104 см-2. Темновая проводиинтенсивность люминесценции I = (n, p). Для мость исследуемых кристаллов определялась глубокими исключения тривиальных изменений интенсивностей подонорами Ч дефектами EL2 (энергетическое положение лос ФЛ, связанных с изменением при термообработке уровней 0.75 эВ, концентрация 1.61016 см-3). Основной фоновой примесью в них являлись акцепторы Ч атомы Прогрев приводил к деградации поверхности кристаллов (образовывался приповерхностный низкоомный слой [2]) вследствие испаре Fax: (044) ния атомов мышьяка. Перед измерениями люминесцентных характериE-mail: ria@isp.kiev.ua стик этот слой удалялся.

1312 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук концентраций центров безызлучательной рекомбинации носителей тока (т. е. величин n, p), они нормировались на интенсивность полосы люминесценции, обусловленной аннигиляцией свободных экситонов [3,4]. Тогда приводимые далее вызванные термообработкой вариации интенсивностей ФЛ можно считать полностью связанными с соответствующими изменениями концентраций центров люминесценции.

Перед измерениями кристаллы обрабатывались в полирующем травителе 3H2SO4 : 1H2O2 : 1H2O. До травления, как отмечалось выше, чтобы избежать искажений спектров, связанных с деградацией поверхности кристаллов при термообработке, сошлифовывался низкоомный поверхностный слой. Таким образом, стимулированные отжигом изменения люминесцентных свойств кристаллов ПИН GaAs полностью определялись процессами, протекающими в их объеме.

Рис. 2. Результат разложения спектра краевой ФЛ при T = 77 K на элементарные составляющие (экситонную X и зона-зонную e-h) исходных (сплошная линия) и термооб3. Результаты работанных при Ta = 900C в течение 30 мин (штриховая) кристаллов ПИН GaAs. (Метод разложения см. в [5]).

Наиболее интересные изменения люминесцентных свойств кристаллов ПИН GaAs при термообработке наблюдались в краевом спектре ФЛ (в экситонной части).

Поэтому далее мы ограничимся лишь рассмотрением hm = 1.5158 эВ, интенсивность люминесценции IX), краевых спектров ФЛ.

а также аннигиляцией экситонов, связанных с мелкими На рис. 1 и 2 приведены измеренные при T = 4.нейтральными акцепторами A0 и донорами D0 (свяи 77 K спектры краевой люминесценции исходных и занные экситоны A0X и D0X, положение максимумов термообработанных при Ta = 900C кристаллов.

излучения hm = 1.512 и 1.514 эВ, интенсивности При T = 4.2 K вид спектра исходных кристаллов в люминесценции IA0 и ID0 соответственно). При этой X X основном обусловлен излучательной аннигиляцией сво- температуре интенсивность ФЛ, обусловленная рекомбодных экситонов X (положение максимума излучения бинацией свободных электронов и дырок, невелика.При 77 K вид спектра краевой полосы ФЛ исходных кристаллов в основном обусловлен аннигиляцией свободных экситонов X, положение максимума излучения hmX = 1.5088 эВ, полуширина полосы излучения wX = 6 мэВ. При этой температуре интенсивности ФЛ, возникающей при аннигиляции связанных экситонов A0X и D0X, а также при рекомбинации свободных электронов e и дырок h, невелики [5].Термообработка кристалолв ПИН GaAs при Ta = 900C приводит к следующим изменениям в спектрах ФЛ. 1) Существенно увеличивается интенсивность полосы A0X и значительно понижается интенсивность полосы D0X. Следовательно, если в исходных кристаллах при 4.2 K доминирующей является полоса ФЛ, обусловленная аннигиляцией связанных экситонов D0X (ее интенсивность превышает интенсивность полосы A0X), то в термообработанных кристаллах доминирующей Идентификацию различных линий излучения в краевом спектре ФЛ арсенида галлия см. в [5,6].

Рис. 1. Спектры краевой ФЛ при T = 4.2 K исходных (1) При используемых высоких уровнях возбуждения (n, p nи термообработанных при Ta = 900C в течение 90 мин и n, p L) интенсивности экситонных полос люминесценции (2) кристаллов ПИН GaAs. 1 и 2 Ч выделенные полосы IA X, ID X и IX возрастали при повышении интенсивности освещения 0 ФЛ, обусловленные аннигиляцией связанных экситонов A0X в пропорционально L2 (рис. 3). Из отмеченного, в частности, следует, исходных кристаллах и свободных экситонов X в термообрачто при 4.2 K и L = 1018-1020 фот/см2с акцепторы и доноры ботанных кристаллах соответственно. (Метод выделения см.

находятся в основном в нейтральном состоянии A0 и D0, при 4.2 K в [5]). и L = 0 Ч в основном в состояниях A- и D+ [7,8].

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Влияние термообработки на люминесценцию полуизолирующих нелегированных кристаллов GaAs становится полоса ФЛ, обусловленная аннигиляцией связанных экситонов A0X (ее интенсивность превышает интенсивность полосы D0X). 2) При 77 K наблюдается стимулированный прогревом существенный сдвиг в низкоэнергетическую область положения максимума (от 1.5088 до 1.5070 эВ) и увеличение полуширины (от 6 до 7 мэВ) полосы ФЛ, обусловленной аннигиляцией свободных экситонов.

Рис. 5. Зависимости положения максимума hmX (1) и полуширины wX (2) полосы ФЛ, обусловленной аннигиляцией свободных экситонов, от времени термообработки t кристаллов ПИН GaAs при 900C. hmX и wX измерены при 77 K.

На рис. 4 и 5 приведены зависимости интенсивностей полос ФЛ, обусловленных связанными экситонами A0X и D0X, а также положения максимума и полуширины Рис. 3. Зависимости интенсивностей полос от интенсивности полосы ФЛ, обусловленной аннигиляцией свободных освещения: 1 Ч A0X, T = 4.2K, hm = 1.512 эВ; 2 Ч D0X, T = 4.2K, hm = 1.514 эВ; 3 Ч X, T = 77 K, hm = 1.5088 эВ. экситонов X, от времени термообработки t кристаллов Прямые линии соответствуют теоретическим зависимостям ПИН GaAs при Ta = 900C. Как видно, увеличение IA X, ID X, Ix L2.

0 времени термообработки приводит к монотонному увеличению интенсивности полосы A0X и немонотонным изменениям (сначала к понижению, затем возрастанию) интенсивности полосы D0X. Кроме того, увеличение времени термообработки приводит к немонотонному сдвигу в низкоэнергетическую область положения максимума (сначала понижению от 1.5088 до 1.507 эВ, а затем возрастанию от 1.507 до 1.508 эВ) и немонотонной вариации полуширины (сначала возрастанию от 6 до 7 мэВ, а затем понижению от 7 до 6 мэВ) полосы ФЛ, обусловленной аннигиляцией свободных экситонов.

4. Обсуждение результатов Обсудим приведенные данные. Необходимо принимать во внимание два факта. Первый Ч термообработка не Рис. 4. Зависимости нормированных интенсивностей полос приводит к заметным изменениям концентрации углероФЛ, обусловленных связанными экситонами A0X (1) и D0X (2), да. Второй Ч стимулированные термообработкой измеот времени термообработки t кристаллов ПИН GaAs при Ta = 900C. IA X и ID X измерены при T = 4.2K нения нормированных к величине IX интенсивностей IA0 X 3 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1314 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук и ID0 определяются лишь соответствующими изменени- примесей из узлов решетки в междоузлия, т. е. потеря X ями концентраций мелких акцепторов NA и доноров ND.ими электрической активности.

Тогда можно дать следующие объяснения наблюдаемым 3. Стимулированный термообработкой обмен местами закономерностям.

мелких примесей IV группы B и D, одна из которых (BGa) Ч Индуцируемое отжигом увеличение интенсивности первоначально располагается в галлиевой подрешетке ФЛ, обусловленной аннигиляцией связанных экситонов арсенида галлия и является донором, а иная (DAs) Ч A0X, и уменьшение интенсивности ФЛ, обусловленной в его мышьяковой подрешетке и является акцептором аннигиляцией связанных экситонов D0X (рис. 1), объяс(соответствующая реакция BGa + DAs BAs + DGa) [11].

няются возрастанием концентрации мелких акцепторов Такой процесс приводит к очевидному преобразованию (вероятнее всего, атомов цинка) и понижением кондоноров BGa в акцепторы BAs, а акцепторов DAs Чв центрации мелких доноров (вероятнее всего, атомов доноры DGa. Несомненным следствием является поникремния) вследствие их активации и пассивации соотжение концентраций доноров BGa и акцепторов DAs и ветственно при термическом воздействии.

повышение концентраций акцепторов BAs и доноров DGa.

Ч Стимулированное термообработкой смещение положения максимума экситонной полосы ФЛ в низко- 4. Индуцированные прогревом процессы генерации и энергетическую область и увеличение ее полуширины разрушения электрически неактивных комплексов мел(рис. 2) связано с повышением при термическом возкая примесь - собственный дефект решетки [10,12].

действии на кристаллы ПИН GaAs концентрации элекОчевидным результатом такого процесса является понитрически активных примесей, в частности, концентрации жение (при генерации) и возрастание (при разрушении) мелких акцепторов (подробно об этом см. в [5]).

концентраций мелких доноров или акцепторов.

Ч Монотонное увеличение при возрастании времени Прямые измерения концентраций мелких доноров и термообработки интенсивности полосы A0X (рис. 4) акцепторов в кристаллах ПИН GaAs подтверждают, что связано со стимулированной отжигом активацией фонопроцесс термообработки действительно может привовых мелких акцепторов. Наблюдаемое при этом немонодить к заметным изменениям их концентраций [9,12].

тонное изменение интенсивности полосы D0X (рис. 4) связано сначала с постепенной дезактивацией, а затем с активацией фоновых доноров.

Ч Немонотонное изменение при возрастании времени 5. Заключение термообработки положения максимума и полуширины полосы X (рис. 5) вызвано стимулированными отжигом Термообработка кристаллов ПИН GaAs при колебаниями общей концентрации электрически активTa = 900C в течение времени от 20 до 90 мин ных фоновых примесей (подробно об этом см. в [5]).

К указанным изменениям концентраций мелких до- приводит к существенному изменению вида экситонного норов и акцепторов при термообработке кристаллов спектра ФЛ, а именно Ч к монотонному увеличению ПИН GaAs могут приводить следующие (протекающие интенсивности полосы люминесценции, обусловленной с различной скоростью) процессы.

аннигиляцией связанных экситонов A0X, и немонотонно1. Взаимодействие находящихся в междоузлиях мелму изменению интенсивности полосы люминесценции, ких примесей с создаваемыми при термообработке ваобусловленной аннигиляцией связанных экситонов D0X;

кансиями мышьяка и галлия [9,10]. Результатом такок немонотонному сдвигу в низкоэнергетическую область го взаимодействия является увеличение концентрации положения максимума и немонотонной вариации помелких примесей в узлах решетки, т. е. в электрически луширины полосы люминесценции, обусловленной активном состоянии.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам