Введение к работе
Роль водорода в формировании электрических и оптических свойств полупроводников на протяжении двух последних десятилетий является предметом интенсивных исследований /1/. В настоящее время уже хорошо известно, что водород, введенный в элементарные полупроводники Si, Ge и ряд полупроводниковых соединений Л В при их выращивании в водородосодержащей атмосфере, имплантации, при отжиге в водородной плазме или любым другим способом, сильно взаимодействует с различного рода дефектами: точечными и протяженными, собственными и примесными, донорноп) и акцепторного типа, имеющими мелкие и глубокие уровни в запрещенной зоне.
Результатом этого взаимодействия является формирование, главным образом, нейтральных водородосодержащих комплексов (ВСК) и удаление соответствующих электронных уровней из запрещеной зоны. В частности, в аморфном Si насыщение водородом оборванных связей приводит к уменьшению плотности электронных состояний в запрещенной зоне с 102|) см"3 до 1015 см"3 121, что значительно увеличивает время жизни и длину диффузии носителей и позволяет изменять легированием положение уровня Ферми. В значительной степени благодаря именно водородной пассивации оборванных связей, a-Si широко применяется в качестве материала для изготовления солнечных элементов. Водородная пассивация дефектов находит и друше практические применения, например, при изготовлении изолирующих слоев в полосковых лазерах 131.
Актуальность настоящей работы определяется тем, что несмотря на исследованность водородной проблемы в полупроводниках в целом, соединения А2В до начала наших исследований были практически не изучены с точки зрения влияния водорода на их свойства. Кроме того, радиационная устойчивость, являющаяся одним из факторов, определящих возможности ряда практических применений гидрогенизированньгх материалов, оказалась неисследованной не только в соединениях Л2В6, но и в других полупроводниках.
Монокристаллические соединения А2Вб, их твердые растворы, а также
гетероструктуры на их основе являются перспективными для использования в качестве активных сред приборов, излучающих в видимом и ближнем УФ диапазоне, в частности лазерных ЭЛТ /4/. Однако, в настоящее время при изготовлении этих приборов возникает ряд проблем, связанных с внесением в полупроводник на различных технологических стадиях дефектов, ухудшающих излучателыше характеристики. Поэтому практически важным было исследование возможности использования пассивирующих свойств водорода для нейтрализации этих дефектов.
Кроме того, водород уже широко используется в технологии роста объемных монокристаллов и эпитаксиальных слоев соединений А В , а также при их дальнейшей технологической обработке. Являясь одной из неконтролируемых примесей, водород может непреднамеренно и нежелательным образом изменять оптические и электрические свойства полупроводника.
Таким образом, целью работы являлось исследование влияния водорода на формирования оптических свойств полупроводниковых соединений Л2В6, определение возможностей использования пассивирующих свойств водорода для улучшения излучательных свойств этих соединений и исследование устойчивости свойств гидрогенизированньк полупроводников при электронном облучении.
Достижение поставленной цели предполагало решение следующих задач.
1. Создание установки и подбор режимов для преднамеренного введения
водорода в полупроводники путем отжига в водородной плазме.
2. Исследование водородной пассивации дислокаций, введенных при
механической обработке монокристалических пластин, а также дислокаций,
релаксирующих напряжения в несогласованных гетероструктурах.
-
Исследование зависимости оптических свойств полупроводника от наличия водорода в газовой среде при высоко- и низкотемпературных ростовых процессах.
-
Исследование влияния преднамеренного введения водорода при отжиге в водородной плазме и имплантации на активность центров рекомбинации.
5. Исследование преобразования спектров люминесценции
гидрогенизированных материалов под действием электронного облучения.
Научиая новизна.
Впервые показано, что, несмотря на травление поверхности, отжиг в водородной плазме приводит к внедрению водорода в монокристаллы А2В6 и изменению активности центров рекомбинации.
Впервые обнаружен эффект водородной пассивации дислокаций в монокристаллических пластинах CdS и несогласованных гетероструктурах ZnTc/GaAs и ZnCdSe/GaAs.
Впервые показано, что введение водорода из водородосодержашей газовой среды при ростовом процессе, низкотемпературном отжиге в Н-плазмс-и имплантации приводит к пассивации глубоких уровней, мелких акцепторных состояний, а также к образованию активных ВСК, имеющих электрический уровень в запрещенной зоне в монокристаллах ZnTe и ZnSe.
Впервые исследован распад ВСК под действием электронного облучения. Обнаружена активация акцепторной примеси в ZnSe:(N,H) при электронном облучении.
Практическая ценность.
Полученные данные о диффузии водорода могут быть использованы для определения глубины водородной пассивации при обработке материалов в водородосодержашей плазме.
Обнаруженный эффект водородной пассивации механически введенных дислокаций и дислокаций в несогласованных гетероструктурах может применятся для улучшения излучательных свойств полупроводников.
Обнаруженный эффект водородной пассивации при добавлении водорода в газовую среду при высокотемпературном росте обьемных монокристаллов ZnTe может быть использован для получения полупроводника с более низкой концентрацией глубоких уровней и интенсивным экситонным излучением в спектре люминесценции.
Обнаруженную эффективную водородную пассивацию акцепторов следует учитывать при легировании соединений А2Вб акцепторной примесью. В частности, при низкотемпературном эпптаксиалыюм росте ZnSe в водородосодержашей
атмосфере паразитная пассивация может препятствовать получению проводимости р-типа.
С другой стороны, обнаруженная реактивация акцепторов под действием электронного облучения, а также, хотя и с меньшей эффективное, при отжиге в вакууме, может быть использована для получения низкоомиых эпитаксиальных пленок ZnSe р-типа проводимости. Учитывая склонность широкозонных полупроводников к самокомпенсации, легирование следует проводить таким образом, чтобы именно водород выступал главным компенсатором акцепторной примеси, поскольку затем он может быть легко удален при достаточно низкой температуре, когда другие механизмы компенсации остаются еще пезадействованными.
Приведенные оценки сечения разрушения ВСК по механизму упругого смещения и ионизационному механизму могут быть использованы для пропюза стабильности пшрогенизироваиных материалов под действием электронного облучения.
Основные положения выносимые на зашиту.
1. Коэффициенты диффузии водорода, полученные из описания
экспериментальных данных математической моделью- диффузии, учитывающей
травление полупроводника при отжиге в Н-плазме.
-
Водородная пассивация оборванных связей на дислокаших и, описывающая ее математическая модель.
-
Водородная пассивация мелких акцепторов и глубоких уровней, а также образование оптически активных ВСК в ZnTe и ZnSe.
-
Метод активации акцепторов в пленках ZnSe:(N,H), выращенных методом парофазной энитаксии из металлоорганических соединений.
-
Механизм наблюдающегося распада ВСК под действием пучка электронов.
Аппробания работы.
Основные результаты диссертации были доложены на семинарах Отдела оптоэлектроники Физического института им. П.НЛебедева РАЛ, на П Всесоюзной
научно-технической конференции "Материаловедение халькогенидов и кнслородосодержащнх полупроводников" (Черновцы, 1991 г.) и на I Международной конференции "Материаловедение халькогенидных и аімазоподобньїх полупроводников" (Черновцы 1994 г.).
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
