Введение к работе
іктуадьность проблемы. Соединения АґВР находят все большее рзменение в электронике. Эти материалы обладают уникальными ілектрическими и оптическими свойствами, позволящими издавать широкий спектр приборов для СВЧ, оптоэлектроники, терхбыстродействущих цифровых схем. Среди них: СВЧ 'енераторы на эффекте Ганна, работающие вплоть до мллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, ізлевне транзисторы и цифровые схемы с быстродействием гарядка IOJ Гц, инжекционные лазеры с длиной волны 0,8 - 1,6 км для систем волоконно-оптической связи, светодиоды, ійлучавдие в инфракрасном и видимом диапазонах. Использование гетверных растворов на основе соединений &?&* позволяет солучать полупроводящие материалы практически с любыми sapanee заданными свойствами.
Однако по сравнению с элементарными полупроводниковыми іатєриалами, такими как германий и кремний, спектр точечных ісфектов в соединениях А3В5 более сложный. Электрически игтивные дефекты в них связаны не только с введением фимесей, но и с собственными структурными дефектами, такими сак вакансии катиона и аниона и антиструктурные дефекты. Шсло таких дефектов больше, чем в элементарных юлупровадяиках. К собственным дефектам следует добавить сомплексы, которые они образуют с атомами легирующих и ^контролируемых примесей. Какие именно дефекты играют гешащуга роль в ухудшении параметров полупроводниковых фиборов, изучено не достаточно хорошо.
R промышленности широко распространен один из гродставителей материалов ?Ер - фосфид галлия. Он ^пользуется для изготовления светодиодов, излучавщих в зависимости от типа легирующих примесей в зеленой, желтой или срасной области видимого спектра. Многие процессы, фоисходящие в этом материале, характерны для всего класса соединений A3B5. Прежде всего, это поведение вакансий сатиона, существование которых в свободном виде при комнатной гемпературе невозможно. Образуя комплексы с другими типами собственных дефектов и легирующими примесями, вакансия
катиона создает глубокие уровни, оказывайте . существенное веяние на свойства материала и приборных структур. Сходные процессы происходят также при отжигах материалов и радиационном облучении. Р-п-переходы на фосфиде галлия изучены достаточно хорошо и широко применяются в промышленности. Кроме того, они являются очень удобным объектом для определения параметров безызлучательных процессов и наблюдения свойств дефектов а также моделирования радиационной и температурной деградации. Поэтому в данной работе изучаются процессы, которые являются общими для класса соединений А3В5 и могут помочь в понимании физики взаимодействия дефектов и примесей в этих материалах.
Н связи с изложенным исследование поведения дефектов в соединениях А3В5 и, в частности, в светодиодах на основе GaP является актуальной научной проблемой и имеет большое научное и практическое значение.
Цель и задачи исследований. Целью работы является изучение влияния отжигов и нейтронного облучения на возникновение центров безызлучательной рекомбинации и эффективность излучения диодов на основе GdP:N. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Теоретическими исследованиями генерационно-рекомбинацион-нмх процессов в области пространственного заряда. Разработкой на основе этого методики определения параметров глубоких центров.
-
Исследованиями процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации в светодиодах GaP:H. Выяснением связи процессов рекомбинации с временем жизни безызлучательной рекомбинации и уровнем инжекщш.
-
Изучением процессов деградации светодиодов при воздействий повышенной температуры и облучения быстрыми нейтронами и анализом вероятных моделей этих процессов.
Новые научные результаты.
1. Введение азота увеличивает концентрацию глубоких днухзарядных центров с энергиями активации 0,23 и 0,29 эВ, отсчитанными от зоны проводимости.
-
Увеличение температуры выращивания эпитаксиальных слоев GaP:N приводит к экспоненциальному возрастанию концентрации глубоких центров с энергиями активации 0,35; 0,53 и 0,65 эВ, отсчитанными от зоны проводимости. При отжиге p-n-переходов в кназинейтральной области возрастает концентрация этих же центров. Результаты экспериментальных исследований в совокупности с термодинамическим анализом /I/ подтверждают модель, высказанную в работе /2/, о том, что данные центры являются комплексами вакансии галлия и элемента шестой группы таблицы Менделеева (донора в материале п-типа).
-
Анализ вольт-амперных характеристик в области малых и больших уровней инжекция показал, что время жизни б^зызлучательной рекомбинации в обоих случаях одинаково и контролируется преимущественно уровнем с энергией активации &'t= Ву+ 0,85 эВ. Анализ литературы и результаты, полученные в главе 2, позволяют связать его с антиструктурннм дефектом Gap.
-
Установлено, что термостимулированные генерация носителей заряда сопровождается избыточным генерационно-рекомбинацион-ннм шумом.
-
Отжиг в диапазоне температур от 450 до 600 С приводит к генерации вакансий галлия в р-п переходе и их миграции в квазинейтральную область с образованием глубоких уровней.
-
Облучение светодиодов быстрыми нейтронами не приводит к... появлению новых уровней по сравнению с образцами, выращенными в термодинамически равновесных условиях, и образцами, подвергнутыми отжигу. Следовательно, возникшие центры связаны с собственными точечными дефектами, что дает основание предположить следующий механизм деградации. При облучении выбиваются из своего положения атомы галлия с образованием пары Френкеля. После этого атом галлия может быть захвачен вакансией фосфора, образуя антиструктурный дефект Gap, которому соответствует глубокий центр с энергией активации 't-= В + 0,85 эВ. Вакансия галлия в свою очередь может образовывать комплексы с атомом азота (возникают глубокие центры с энергиями активации 0,23 и 0,29 эВ отсчитанными от зоны проводимости), элементом шестой группы - донором
( - глубокие центры 0,35, 0,53 и 0,65 эВ относительно зоны
проводимости) или заниматься атомом фосфора образуя атггаструктурный дефект Pto (глубокий центр t= EG - І,о зВ). Так как в термодинамически устойчивых образцах концентрация вакансий фосфора превосходит концентрации других дефектов, вероятность образования антиструктурных дефектов <йр выше. Это, а также рекомбинационные свойства образующихся глубоких уровней говорит о том, что рост концентрации антиструктурных дефектов определяет деградацию GdP:N светодиодов при облучении быстрыми нейторонами и термодеградации. Генерация ж; вакансий фосфора не оказывает существенного влияния на эффективность светодиодов в связи с их изначально высокой концентрацией.
Положения, выносимые на зашиту.
J. Термостимулированный выброс (эмиссия) носителей с глубокого центра сопровоадается избыточным шумом, который м:жно назвать термостимулированным.
2. Трехзарядные глубокие уровни 0,35; О,53; 0,65 эВ связаны с
комплексом вакансии галлия и элемента шестой группы.
-
в процессе низкотемпературного отжига светодиодов генерируются вакансии катиона, которые мигрируют в я-область и приводят к компенсации квазинейтральной области.
-
Облучение быстрыми нейтронами приводит к появлению дополнительных каналов безызлучательной рекомбинации. При этом параметры глубоких уровней наблвдаемых в светодаодах не меняются. Это значит, что термо- и радиационная деградации связаны с уровнями одной природы (уровнем с энергией активации Е^ * Ev / 0,85 эВ, связанным с антиструктурным дефектом Gap).
Практическая значимость работы.
1. Разработана новая методика определения параметров глубоких
центров из термостимулированной емкости, основанная на
сопоставлении экспериментальных результатов с теоретическими
выражениями.
3. Разработан метод определения параметров глубоких уровней
на основе изучения термостимулированного шума.
3. Разработана методика определения параметров глубоких
ієнтров на основе изучения рекомбинационных токов. . Уточнены параметры ряда глубоких центров в фосфиде галлия, і. Подтверждены модели центров, определенных из іатодалюминесценции /3/ (вакансия галлия - азот) и гитолшинесценции /2/ (вакансия галлия - элемент шестой рути).
і. Показана возможность создания светодиодов зеленого вечения, обладающих повышенной радиационной стойкостью, утем повышения уровня легирования донорами п-области.
ппробация работы. Основные положения диссертационной работы укладывались и обсуждались на: I всесоюзной конференции Физические основы надежности к деградации полупроводниковых риборов", г. Кишинев, 1982 г.; II всесоюзной конференции Физические основы надежности и деградации полупроводниковых риборов", г. Кишинев, 1986 г.; XI всесоюзной конференции по лэктронике СВЧ. г. Орджоникидзе, 1986 г.; Международной '.'Нференщга по оптоэлектронике, г. Баку, 1989 г.; Всесоюзной ?їіфереяции "Физические основы твердотельной электроники", г. рнинград, 1989 г.; Всесоюзной научно-технической конференции Повышение качества и надежности продукции, программного песпечения ЭВМ и технических средств обучения", г. Куйбышев, 989 г. .
Результаты, полученные в работе использованы в II тчетах по НИР.
убликации. Результаты исследований опубликованы в 13 научных аботах.
5ъем и структура диссертации. Работа изложена на 155 границах машинописного текста, включает 42 рисунка и 5 аблиц, библиографию из 161 наименования. Состоит из педения, пята глав, заключения, списка используемой атературы.
