Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение поведения примесей в полупроводниковых материалах является одной из старейших и проблем физики полупроводников. В рамках этой проблемы особое внимание уделяется изучению фоновых примесей, определяющих электронные свойства нелегированного материала, и исследованию примесно-дефектных комплексов, которые, являясь центрами рассеяния и рекомбинации, оказывают существенное влияние на электронные свойства сильно легированного материала.
Состав и концентрации фоновых примесей и доминирующих при высоких уровнях легировании примесно-дефектных комплексов неизвестны заранее и определяются условиями получения материала. Поэтому важными задачами являются идентификация фоновых примесей и введенных при намеренном легировании дефектов, выяснение влияния таких дефектов на электронные свойства материала, развитие приемов уменьшения концентрации фоновых примесей в нелегированных и примесно-дефектных комплексов в сильно легированных полупроводниках.
К моменту начала работы были разработаны такие приемы уменьшения концентрации фоновых примесей в намеренно нелегированном GaAs, как добавление в расплав редкоземельных элементов для материала, полученного методом жидкофазной эпитаксии [1] и использование источника димеров мышьяка при получении материала методом молекулярно лучевой эпитаксии [2]. Было показано, что применение этих приемов позволяет существенно уменьшить концентрацию остаточных примесей в эпитаксиальном GaAs, однако причины уменьшения концентрации фоновых примесей окончательно установлены не были.
В сильно легированном GaAs состав и энергетические параметры примесно-дефектных комплексов были хорошо изучены в эпитаксиальном материале n-типа проводимости [3,4]. В то же время несмотря на то, что процессы образования комплексов и их параметры достаточно подробно изучены для эпитаксиального p+-GaAs, легированного германием [5-7] и кремнием [ 8 ], к моменту начала данной работы, оставались открытыми вопросы о составе и параметрах комплексов,
образующихся в эпитаксиальном GaAs, легированном другими акцепторными примесями.
Цель работы состояла в изучении причин уменьшения концентрации мелких фоновых примесей в GaAs, полученном методом жидкофазнои эпитаксии при легировании расплава гадолинием и методом молекулярно лучевой эпитаксии при использовании источника димеров мышьяка, а также в выявлении и исследовании дефектов, образующихся в сильно легированном акцепторами GaAs, полученном методом жидкофазнои эпитаксии.
Научная новизна работа!. Все результаты, приведенные в данной работе, получены впервые:
- установлено влияние легирования висмутового расплава
гадолинием на концентрацию мелких фоновых примесей в слоях
GaAs, полученного методом ЖФЭ.
- определены механизмы изменения концентрации мелких
фоновых примесей в полученном методом МЛЭ нелегированном
GaAs, при изменении молекулярного состава потока мышьяка
путем термического разложения молекул As4 на молекулы As2.
Показано, что изменение концентрации мелких фоновых доноров
и акцепторов в слоях нелегированного GaAs, полученных
методом МЛЭ при различных соотношениях димеров и тетрамеров
мышьяка в постоянном полном потоке мышьяка, не связано с
изменением стехиометрии растущего слоя при повышении доли
As2 в полном потоке мышьяка, а обусловлено разложением
соединений примесь-мышьяк и взаимодействием углерода с
элементами конструкции в высокотемпературной зоне
твердотельного источника As2.
- установлено, что в сильно легированном цинком GaAs,
полученном методом ЖФЭ, образуется неизвестный ранее центр
излучательной рекомбинации, ответственный за появление в
спектре низкотемпературной ФЛ линии с энергией в максимуме
1.35 эВ. Высказано предположение, что центр является
электронейтральным комплексом, состоящим из собственных
точечных дефектов арсенида галлия.
- установлено, что в слоях сильно легированного
марганцем GaAs, полученного методом ЖФЭ из расплава
висмута, в дополнение к акцепторам марганец на месте галлия образуются два неизвестных ранее рекомбинационных центра, один из которых является центром излучательнои, а другой безызлучательной рекомбинации. Показано, что образование этих центров может быть обусловлено предварительной ассоциацией атомов марганца и мышьяка в расплаве висмута.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
-
Показано, что для уменьшения концентрации мелких фоновых примесей в слоях намерено нелегированного GaAs, полученных методом ЖФЭ из расплава висмута, легированных редкоземельными элементами, использование иттербия более эффективно по сравнению с использованием гадолиния.
-
Установленные механизмы образования неизвестных ранее ненамеренно введенных при легировании дефектов в слоях GaAs:Zn и в GaAs:Мл, полученных методом жидкофазной эпитаксии, могут быть использованы при оптимизации условий роста слоев GaAs:Zn и GaAs:Mn с целью уменьшения концентрации обнаруженных нами дефектов.
Научные положения выносимые на защиту
-
Экспериментальные результаты по зависимости концентрации мелких фоновых примесей в слоях GaAs, полученных методом жидкофазной эпитаксии из расплава висмута, легированного гадолинием, от концентрации гадолиния в жидкой фазе.
-
Экспериментальные результаты по зависимости концентрации мелких фоновых примесей в слоях GaAs, полученных методом молекулярно лучевой эпитаксии с использованием твердотельного источника димеров мышьяка, от температуры в зоне крекинга мышьяка.
-
Факт обнаружения неизвестного ранее центра излучательнои рекомбинации, в слоях арсенида галлия, сильно легированных цинком, полученных методом жидкофазной эпитаксии и экспериментальные результаты по влиянию температуры роста, металла растворителя, уровня легирования на концентрацию этого центра.
4. Факт обнаружения двух неизвестных ранее центров, один из которых является центром излучательной, а другой безызлучательной рекомбинации, в слоях GaAs, сильно легированных марганцем, полученных методом жидкофазной эпитаксии из расплава висмута и экспериментальные результаты по влиянию температуры роста и уровня легирования на концентрацию этих центров.
.Апробация работа». Результаты полученные в данной работе докладывались и обсуждались на 8 Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992), Российской конференции Микроэлектроника-94 (Звенигород, 1994), 3-й Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997), 9-th International Conference on Solid Films and Surfaces (Denmark, 1998), 8-st International Conference on "Shallow-level centers in semiconductors", (France, 1998), а также обсуждались на семинарах в Институте физики полупроводников СО РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работаї. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 171 названия и содержит 142 страницы машинописного текста в том числе 30 рисунков и 3 таблицы.
