Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Дефекты с глубокими уровнями в нелегированных слоях GaAs и GaP, полученных методом жидкофазной эпитаксни, и оптимизация технологии получения структур на их основе
Глава 2. Бистабильные дефекты и примеси с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях AlGaAs
Глава 3. Радиационные дефекты с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях GaAs и AlGaAs
Заключение 249
Публикации по диссертации 253
Литература 257
- Дефекты с глубокими уровнями в нелегированных слоях GaAs и GaP, полученных методом жидкофазной эпитаксни, и оптимизация технологии получения структур на их основе
- Бистабильные дефекты и примеси с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях AlGaAs
- Радиационные дефекты с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях GaAs и AlGaAs
Введение к работе
Актуальность темы. Арсенид галлия, как и многие другие
полупроводники АЗВ5, являющиеся важнейшими материалами для сверхбыстрых электронных и оптических приборов, почти всегда содержит точечные дефекты кристаллической решетки, размер которых равен размеру атомов решетки. К числу точечных дефектов относятся: атомы междоузлия, вакансии решетки, пары междоузлия-вакансии, дефекты перестановки (antisite), кластеры и комплексы. Точечные дефекты в полупроводниках, действующие как ловушки электронов и дырок проводимости и имеющие обычно концентрацию в 1(Г6 раз меньшую, чем концентрация атомов, могут оказывать значительные, как нежелательные, так и полезные эффекты на электронные и оптоэлектронные свойства материалов и приборов. Знание и понимание электронных свойств, поведения и структуры дефектов являются, следовательно, весьма существенными и актуальными для дальнейшего развития технологии полупроводников АЗВ5, так как точечные дефекты рождаются в полупроводниках в процессе роста кристаллов и эпитаксиальных слоев, при ионной имплантации, травлении, а также при радиационном облучении. Их присутствие в полупроводниках может значительно влиять на темп диффузии примесей атомов и на процессы деградации приборов. Развитие физики полупроводников и технологии способствовало также появлению целого ряда новых идей: самоорганизации, метастабильности, рекомбинационно-стимулированного усиления и диффузии, квантового эффекта, становящихся важными для объектов с очень маленькими размерами. Новые типы дефектов так же, как и их специфическое поведение в полупроводниках, обнаруживаются по мере быстрого развития технологий, что предопределяет актуальность постоянного интереса к дефектам. Новые вопросы, связанные с изучением дефектов, часто возникают из практического опыта при исследовании полупроводниковых объектов, в частности, - полупроводниковых гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками (КТ). Следует отметить, что в литературе, на момент выполнения работы, отсутствовали сведения об экспериментальных исследованиях точечных дефектов и их влияния на заселенность квантовых состояний так же, как и об их взаимодействии с квантовыми точками в таких системах. Не была установлена природа точечных дефектов, образующихся в (InAs,Ga)/GaAs-reTepocTpyKTypax с самоорганизованными КТ, и соответственно не было информации о способах их подавления с помощью термоотжига in situ. Не было определено соотношение в концентрации точечных дефектов и КТ, приводящее к тому или иному механизму взаимодействия. Отсутствовали экспериментальные методы, позволяющие отличить пространственно-
I fОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
3 мвляотекА
локализованные состояния в таких структурах от дефектоэ решетки. Изучение всех этих явлений в (lnAs,Ga)/GaAs-reTepocTpyKTypax является актуальной задачей физики полупроводников, а также микро- и оптоэлектроники.
Полупроводниковые квантовые структуры занимают в современной оптоэлектронике особое место. На их основе были созданы первые полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре. Актуальной является проблема повышения срока работы такого лазера, выяснение механизмов, лежащих в основе рекомбинационно-стимулированной деградации прибора, выяснения роли точечных дефектов в этом процессе.
Актуальной является задача получения эпитаксиальных слоев и
приборов на основе соединений А В (GaAs, GaP) с заданными и новыми
свойствами, в которых компенсация слоев, распределение концентрации
фоновых мелких примесей и дефектов с глубокими уровнями (ГУ)
определяются технологическими условиями кристаллизации расплава. На
момент выполнения работы практически отсутствовали
экспериментальные исследования по влиянию температур начала кристаллизации на механизм компенсации эпитаксиальных слоев GaAsp-n-структур, полученных из раствора-расплава в Ga, и не было достаточного понимания роли и природы акцепторных дефектов с ГУ, а также и донорного дефекта типа EL2, участвующих в компенсации такой структуры. Не были также достаточно изучены влияние содержания изовалентной примеси Ві в жидкой фазе при выращивании эпитаксиальных слоев GaAs на концентрацию и тип образующихся при этом собственных дефектов решетки.
Актуальной проблемой физики дефектов и полупроводников являются исследования метастабильности дефектов и их свойств, в первую очередь ЕЬ2-дефекта и DX-центра в GaAs и AIGaAs, а также других дефектов, образующихся в процессе эпитаксиального роста и при их радиационном облучении протонами и электронами. Вопрос о том, что такое ЕЬ2-дефект - изолированный antisite-дефект или его комплекс с междоузельным мышьяком, может ли он быть сформирован в GaAs, выращенном из раствора-расплава в Ga и при радиационном облучении или нет, так же, как DX -центр - это дефект с отрицательной корреляционной энергией, а если так, то может ли он перейти в метастабильное антисвязанное состояние А| донора замещения, был до последнего времени открытым.
Весьма актуальными задачами являются идентификация дефектов в сложных слоистых структурах и исследования физических характеристик
в локальных областях полупроводниковых материалов и приборов. Этим требованиям отвечают электронно-зондовые методы исследования. К моменту начала работ, связанных с изучением материалов и структур на основе эпитаксиального нелегированного GaAs, не было адекватных электрон но-зондовых методов определения параметров дефектов и примесей в локальных областях материалов и приборов, а также однородности в их распределении. Актуальной задачей стала потребность в разработке таких методов.
Целью настоящей работы являются экспериментальное исследование и выявление новых свойств и природы точечных дефектов решетки с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях и структурах на основе соединений АЗВ5 (таких, как GaAs, GaP и GaAlAs), образующихся при различных методах роста, отжига и радиационном облучении слоев. Эти исследования направлены также на:
выявление механизмов влияния обнаруженных дефектов на заполнение уровней энергии КТ и взаимодействия дефектов с самоорганизующимися квантовыми точками в (In,As)Ga/GaAs-гетероструктурах;
оптимизацию технологии получения слоев и структур с управляемым содержанием дефектов для создания новых, эффективных приборов микро- и оптоэлектроники;
оценку потенциальных возможностей по использованию полупроводниковых наногетероструктур с КТ на основе соединений АЗВ5 для создания приборов микро- и оптоэлектроники с высокой степенью свободы управления зонной структурой и электрооптическими свойствами с помощью внешних и встроенных электрических полей.
Для достижения указанных целей решался следующий комплекс задач.
Разработка электронно-зондовых методов исследования процесса рекомбинации и спектроскопии центров с ГУ в локальных областях эпитаксиальных слоев, основанных на регистрации тока, индуцированного электронным зондом.
Использование разработанных методов локальной спектроскопии дефектов с ГУ в многослойных GaAs полупроводниковых структурах для определения оптических параметров дефектов и параметров процесса рекомбинации.
Разработка методики исследования пространственно-локализованных квантовых состояний точек, ям и поверхностных состояний,
позволяющей отличать спектры этих состояний от спектров ГУ дефектов, распределенных по толщине эпитаксиального слоя с использованием вольт-фарадных (C-V) измерений и нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS).
Определение энергетического спектра ГУ дефектов решетки и квантовых состояний точек, а также анализ влияния на этот спектр как внешних, так и встроенных электрических полей с помощью DTTS-спектроскопии при различных условиях предварительного обратимого изохронного, изотермического и оптического отжигов.
Применение вольт-фарадных измерений и нестационарной спектроскопии ГУ для определения механизма деградации лазеров с квантовыми ямами.
Новое научное направление исследований. которое
сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы, - это исследования новых свойств и природы точечных дефектов решетки с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях и структурах на основе соединений АЗВ5 (таких, к GaAs, GaP и GaAlAs), г о в и х взаимодействия с самоорганизующимися (In,As)Ga/GaAs квантовыми точками с использованием новых методов исследования центров с глубокими уровнями в локальных областях слоистых структур.
Научная новизна работы. Все основные научные результаты, позволившие сформулировать выносимые на защиту научные положения, получены впервые.
Разработаны методы определения оптических параметров центров с ГУ, процессов рекомбинации в локальных областях р-п-структур с помощью электронного зонда и разделения в спектрах DTTS- сигналов, связанных с квантовыми состояниями точек от дефектов с ГУ. Обнаружены и детально исследованы свойства, условия образования и отжига ЕГ2 дефекта и нового акцепторного дефекта HF1 с уровнем (Ev + + 0,47) эВ в эпитаксиальных слоях GaAs, выращенных из раствора-расплава в Ga при температурах начала кристаллизации выше 800С и из раствора-расплава Ga-Bi при содержания Bi >0,6 атомной доли. Обнаружены и детально исследованы свойства и условия образования нового бистабильного дефекта с кинетикой конфигурационной трансформации первого порядка и параметрами в стабильном состоянии, совпадающими с радиационным El-дефектом, кинетика трансформации которого определяется единичным прыжком междоузельного мышьяка; метастабильного уровня антисвязанного
локализованного А; состояния DX-центра в легированных Si слоях AlxGa|.xAs.
Обнаружено образование комплекса вакансии мышьяка и дефекта (Vas) -(D) при частичном оптическом индуцированном отжиге дефектов (Vas и Asca) и рекомбинационно-стимулированной диффузии донорной примеси (D) в процессе их облучения лазером в эпитаксиальных слоях AlGaAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) при сверхвысоких скоростях охлаждения.
Обнаружена генерация точечных дефектов Asca и Vca, сопровождающая эффект рекомбинационно-стимулированного переползания дислокаций при деградации GaAs/AlGaAs гетеролазеров с квантовой ямой. В InAs/GaAs-гетероструктурах обнаружены сильное влияние дефектов с ГУ на заселенность состояний КТ; кулоновское взаимодействие между ионизованными дефектами решетки и носителями, локализованными в КТ, с образованием электростатического диполя, встроенное поле которого изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии и захвата носителей КТ; сильная зависимость энергии уровней s- и р-состояний. вертикально-сопряженных КТ от величины приложенного внешнего электрического ПОЛЯ.
Показано, что как рост температуры начала кристаллизации при выращивании GaAs из раствора-расплава в Ga, так и изменение содержания Ві в жидкой фазе позволяют контролировать концентрацию и номенклатуру собственных акцепторных (HL2, HL5 и HF1) и донорных (EL2) точечных дефектов, компенсацию слоев и структур. Показано, что in situ отжиг InGaAs слоев способствует формированию бездислокационных когерентных КТ, аннигиляции точечных дефектов решетки, связанных с образованием дислокаций в слое матрицы GaAs (EL2), локализованных на гетерогранице InGaAs/GaAs, и уменьшению на порядок концентрации остальных дефектов.
Научная и практическая ценность работы
Проведенные исследования механизмов компенсации GaAs и GaP позволили разработать технологию получения эпитаксиальных слоев и структур на основе GaAs и GaP методом ЖФЭ с параметрами и свойствами (с низкой концентрацией дефектов и примесей, высокой термостабильностью), необходимыми при создании линейных датчиков температур с рекордными параметрами. Результаты этих исследований использовались при изготовлении высоковольтных диодов и тиристоров повышенного быстродействия [1], также при производстве лазеров с длительным сроком эксплуатации.
Были намечены пути создания принципиально новых обратимых электрических и оптических устройств памяти с экстремально-высокой плотностью (10 - 10 бит/см') с применением массива комплексов КТ-дефект.
Разработанные новые методы токовой спектроскопии центров с ГУ в локальных областях р-п-структур с помощью электронного зонда и монохроматического ИК света позволили провести исследования дефектов с ГУ в высокоомных полупроводниковых материалах и изучить изменения параметров рекомбинации по толщине эпитаксиального слоя. Применение этих методов позволило впервые в GaAs, выращенном методом ЖФЭ из раствора-расплава в Ga при высокой температуре кристаллизации, обнаружить образование донорного ЕГ2-дефекта, определить связь между концентрацией дефектов с ГУ и диффузионной длиной неосновных носителей, а также механизм усиления фототока в GaAs/AlGaAs гетероструктурах. Разработана методика различения в спектрах DETS - сигналов, связанных с состояниями КТ от дефектов с ГУ, позволившая решить такую важную научную проблему, как изучение состояний КТ, ям и глубоких поверхностных состояний на гетерогранице, определения их параметров, а также эффектов взаимодействия с дефектами решетки, влияния внешних и встроенных электрических полей на спектр энергии КТ.
Достоверность основных результатов подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных с помощью различных взаимодополняющих и уточняющих методик, с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными и теоретическими данными изучения электрических, оптических и структурных свойств дефектов с ГУ и массивов самоорганизующихся КТ в эпитаксиальных слоях и структурах.
Дефекты с глубокими уровнями в нелегированных слоях GaAs и GaP, полученных методом жидкофазной эпитаксни, и оптимизация технологии получения структур на их основе
Высокий уровень современной электроники определяется темпами развития ее наиболее важных направлений - микро- и оптоэлектроники. Прогресс в этих областях в свою очередь способствовал развитию технологии получения эпитаксиальных слоев и структур на основе полупроводниковых соединений АЗВ5, обладающих высоким уровнем чистоты и структурного совершенства, что приводило к возрастающему влиянию собственных точечных дефектов на свойства и параметры этих материалов и приборов. Отсюда понятен тот интерес, который существует к проблемам физики дефектов и их применению. В бинарных полупроводниковых соединениях типа АЗВ5 в качестве собственных точечных дефектов могут быть: вакансии в любой из кристаллических подрешеток (VA и VB); междоузельные атомы обоих компонентов (А; и В;), Которые могут находится в решетке в различных положениях; дефекты перестановки (antisite) В на местах атомов А и наоборот (Вд и Ав). Эти дефекты могут взаимодействовать между собой и с примесями, приводя к образованию разнообразных комплексов. В полупроводниковых соединениях существенную роль в образовании точечных дефектов играет отклонение состава от стехиометрического. Для полупроводниковых соединений АЗВ5 при выращивании из расплава максимальная температура плавления не отвечает стехиометрическому составу [1-5]. В тоже время выращивание эпитаксиальных полупроводниковых соединений происходит при существенно более низких температурах, чем выращивание объемных монокристаллов [1-3]. При температурах эпитаксии протяженность области гомогенности для большинства соединений достаточно мала, и содержание точечных дефектов, обусловленных отклонением от стехиометрического состава, в эпитаксиальных слоях значительно ниже, чем в монокристаллах. Тем не менее, оно соизмеримо, а в ряде случаев существенно превосходит содержание остаточных примесей в слоях, и эти дефекты оказывают большое влияние на свойства эпитаксиальных структур [1, 4]. Существенное влияние на содержание точечных дефектов в эпитаксиальных слоях оказывают условия выращивания. При жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из ограниченного объема раствора-расплава собственные точечные дефекты, появляющиеся во время ростовых процессов относятся к термодинамически обусловленным видам нарушений идеальной кристаллической решетки, и их содержание в кристаллическом материале определяется температурой процесса ЖФЭ и активностью компонентов раствора-расплава. Так как термодинамические функции образования точечных дефектов в подрешетках бинарных соединений, составленных различными компонентами различны, то и концентрации этих дефектов различаются. В результате чего состав кристаллизуемого соединения отклоняется от стехиометрического в пределах области гомогенности [1-5]. Степень этого отклонения зависит от состава раствора-расплава, находящегося в равновесии с данной твердой фазой. Для рассматриваемой ветви диаграммы состояния степень отклонения определяется положением солидуса. В случае GaAs она имеет ретроградный характер и асимметрична по отношению к стехиометричному составу [1, 4]. Снижение температуры процесса ЖФЭ позволяет понизить концентрации собственных точечных дефектов и уменьшить отклонение состава соединений от стехиометрического. Однако использование низкотемпературных режимов ЖФЭ часто ограничивается тем, что с понижением температуры резко падает растворимость материала в металле-растворителе и уменьшается скорость роста эпитаксиальных слоев. Выбор материала для растворителя обусловлен рядом факторов: низкими значениями температуры плавления, давления паров, относительно высокой растворимостью материала полупроводника при температурах ликвидуса, что обеспечивает получение эпитаксиальных слоев необходимой толщины. Как правило, в качестве растворителя используется легкоплавкие металлы, входящие в состав полупроводниковых соединений (Ga в GaAs и GaP) или образующих с ними квазибинарные системы (типа Sn-GaAs). В последнем случае растворитель обеспечивает и легирование эпитаксального слоя до концентраций, отвечающих его предельной растворимости в закристаллизованном полупроводнике при температуре контакта расплава с подложкой. Особенно интересными представляются расплавы, содержащие изовалентные примеси третьей (АІ, In) пятой групп периодической таблицы Д.И.Менделеева, которые, замещая узлы в подрешетке соответствующего элемента, имеют то же количество валентных электронов, что и замещаемые ими атомы [4]. Такие примеси оказывают сильное влияние на кинетику кристаллизации эпитаксиальных слоев, приводя к существенному изменению равновесных концентраций собственных точечных дефектов. Выбор рабочих точек температуры роста и состава растворителя позволяет изменить соотношение между концентрациями разноименных точечных дефектов и подбирать условия ЖФЭ, способствуя получению соединений с требуемым отклонением состав от стехиометрического. Такие возможности обусловлены близостью условий ЖФЭ к равновесным из-за высокой подвижности собственных точечных дефектов. При ЖФЭ в неизотермических условиях (эпитаксия в условиях принудительного охлаждения), как это было реализовано в данной работе, состав твердой фазы изменяется вдоль границы области гомогенности, что должно приводить к неодинаковой по толщине слоя концентрации точечных дефектов [1-3]. Для случая малого интервала температур можно получать слои с практически постоянной и малой концентрацией точечных дефектов,
При введении в кристалл собственных дефектов существующая трансляционная симметрия нарушается, и в запрещенной зоне могут появиться локализованные состояния со спадающей волновой функцией [6]. К потенциальной энергии электрона в идеальном кристалле добавляется энергия 5U(r), описывающая взаимодействие электронов с несовершенством решетки. 6U(r) имеет две составляющие: короткодействующую, связанную с отличием вида потенциала атомного остова от потенциала точечного заряда, и длиннодействующую, описываемую кулоновским потенциалом. Для мелких локализованных состояний энергия связи много меньше запрещенной зоны, локализация электронов слабая и 6U(r), являющаяся кулоновским потенциалом, плавно изменяется в пространстве, оставаясь практически постоянной на протяжении постоянной решетки [6]. Задачу о движении электрона решается с помощью приближения метода эффективной массы, описывающего поведение носителя заряда в идеальном кристалле. Однако короткодействующий потенциал остова может быть очень сильным внутри эффективного радиуса дефекта и даже малая порция электронного заряда, локализованного там, может привести к значительному вкладу в энергию связи [6]. Увеличение энергии связи по отношению к краю запрещенной зоны означает более сильную локализацию волновой функции, поэтому при рассмотрении проблемы глубоких локализованных состояний преобладающий характер имеют короткодействующие силы и метод эффективной массы не применим. При теоретическом рассмотрении электронных и атомных процессов в конденсированных материалах, был введен метод конфигурационно-координатных диаграмм (ККД), в котором адиабатический потенциал системы представляется как функция атомных конфигураций. Метод ККД был впервые введен для систем локализованных электронов, где адиабатический потенциал дается как сумма энергии электронов и потенциала решетки [6]. Метод ККД был также использован для изучения дефектов и примесей с глубокими уровнями в полупроводниках. В результате чего спектроскопия дефектов и примесей с глубокими уровнями по большей части из описательной и качественной, превратилась в количественную и научно обоснованную. Большинство ранее наблюдаемых эффектов, таких как большое смещение Стокса в оптических спектрах, разницу между тепловой и оптической глубиной захвата носителей и метастабильность, фотоутомляемость, механизмы электронно-стимулированных реакций нашли физическое объяснение и т.д. [7-9].
Основными задачами при исследовании собственных точечных дефектов являются: определение их природы, если дефекты имеют глубокие уровни, то их параметров и концентраций, а также оценки их влияния на электрофизические свойства полупроводниковых материалов и приборов. Решение этих задач встречает ряд принципиальных затруднений. Трудности эти обусловлены в первую очередь следующими причинами: достаточно малой концентрацией точечных дефектов (их концентрация обычно не превышает 10 - 10 см" и резко уменьшается при понижении температуры); присутствием в слоях фоновых примесей; возможностью взаимодействия их между собой и с другими дефектами; высокой подвижностью точечных дефектов. Все это сильно осложняет выявление влияния точечных дефектов в чистом виде. Учитывая конечные значения скоростей охлаждения эпитаксиальных структур, можно сделать вывод, что они является весьма сложными объектами исследования. Успехи в изучении особенностей поведения точечных дефектов в полупроводниках во многом определяется достижениями в разработке надежных методов их обнаружения. Экспериментальные методы исследования точечных дефектов можно разделить на косвенные и прямые. В основе первых лежит зависимость свойств полупроводникового материала от присутствующих в нем дефектов. Прямые методы позволяют непосредственно определять содержание точечных дефектов в исследуемом объекте. В большинстве случаев точечные дефекты оказывают существенное влияние на электрофизические свойства полупроводника, обуславливая появление дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне. В зависимости от положения уровня Ферми они могут быть заряженными, либо нейтральными. Эффективным средством исследования дефектов при этом являются измерения различных параметров полупроводника, реагирующих на изменение спектра энергетических уровней в запрещенной зоне (нестационарная спектроскопия глубоких уровней (DLTS), исследования эффекта Холла, диффузионной длины носителей заряда). Эти методы обладают высокой чувствительностью.
Бистабильные дефекты и примеси с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях AlGaAs
В кристаллической структуре абсолютный минимум полной энергии реализуется, когда электроны и атомы находятся в основном состоянии. Если оптически возбудить валентный электрон, баланс межатомных сил нарушается, и происходят значительные структурные изменения конфигурации атомов [8]. Это явление, называемое фотоиндуцнрованной релаксацией решетки, относится к типу фотоструктурных изменений, которые проявляются различным образом в твердых телах [8]. В процессе решеточной релаксации часть электронной энергии трансформируется в кинетическую энергию атомов. В случае, когда электронное возбуждение пространственно локализовано из-за наличия точечного дефекта или примеси и, когда изменения распределения электронного заряда достаточно большое, то в результате взаимодействия с окружающими атомами, индуцируются силы, приводящие к значительному перемещению атомов. Индуцированное таким образом атомное перемещение приводит к метастабильности атомных конфигураций, фотоструктурным изменениям, реакциям атомов и т.д. Когда обсуждают различные электронные и атомные процессы в твердых телах, то становится удобным введение конфигурационных координат диаграмм (ККД), в которых адиабатический потенциал системы представлен как функция конфигураций атомов [6, 8]. Основной эффект взаимодействия между электронами и решеткой состоит в том, что он приводит к смещению равновесных положений всех осцилляторов решетки и появлению сдвигов энергий электронных уровней. ККД были применены также для дефектов с ГУ в полупроводниках и успешно объяснили сдвиг Стокса в оптических спектрах, различие между термической и оптической глубиной ловушки, метастабильность. Обычные точечные дефекты в полупроводниках могут существовать в единичной структурной конфигурации для данного зарядового состояния. Но имеются также дефекты, которые существуют в двух и более структурных конфигурациях для одного и того же состояния.
Они обозначаются как метастабильные дефекты, так как существование этих альтернативных конфигураций может приводить к кажущейся нестабильности их свойств, если тщательно не контролировать электрическую, термическую и оптическую предысторию образца [117]. Семейство метастабильных дефектов значительно выросло за последние десятилетия. Идентификация атомных структур различные конфигураций и механизма конверсии является главной целью всех исследований метастабильных дефектов. Для феноменологического описания системы пользуются ККД! При этом суть конструирования ККД заключается в определении электронных свойств1 (уровней энергии) дефектов в его различных конфигурациях и в кинетике конфигурационных трансформаций. Темпы трансформации, обычно, являютс4 термоактиващюнными: R=Roexp-(Ea/kT). Такая температурная зависимость может! происходить для трех физических механизмов, контролируемых: (і) единичным прыжком1 атома (Ro 1012 с 1), (и) захватом свободных носителей (RQ 107 С"1), (ІІІ) эмиссией свободных! носителей (Ro 1013 с 1). Отсюда следует, что предэкспоненциальный фактор темпа трансформации является важным параметром таких систем.
В данной главе приводятся результаты наших исследований метастабильных дефектов в эпитаксиальных слоях AlxGa].xAs. В 2.2 приведены результаты наших! измерений легированного Si AlxGa.xAs с х 0.22, проведенные методами DLTS и TSCAF! (термостимулированной емкости), которые продемонстрировали существование метастабильного А\ состояния DX-центра и определен механизм его трансформации из! метастабильного состояния в стабильное и обратно.
Дефекты с конфигурационной бистабильностью в соединениях А3В5 были обнаружены в радиационно-облученном InP [118]. В этом материале в зависимости от условий охлаждения (наличие или отсутствие свободных носителей при охлаждении в зоне проводимости) наблюдали возникновение или исчезновение определенных глубоких уровней в спектрах DLTS, термостимулированной емкости и фотоемкости. Эти изменения связывали с тем, что дефект может занять одну из двух различных конфигураций в решетке,] каждая со своим собственным спектром связанных электронных состояний. К числу таких1 дефектов относятся EL2 дефект [40, 42, 50-51, 57] и DX центр [7, 119-136], обнаруженные в GaAs и AlGaAs. EL2 дефект мы подробно обсуждали в предыдущей главе, и сейчас на нем и будем останавливаться. Известно, что в AlxGai.xAs, легированном Si, атомы Si ведут себя как доноры, когда они замещают атомы Ga(Al). В GaAs или AlxGabXAs (х 0.22), основное1 состояние этих доноров является состоянием эффективной массы, связанным с Г- минимумом зоны проводимости.
Радиационные дефекты с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях GaAs и AlGaAs
Исследования дефектов является одной из самых важных проблем физики полупроводников. В случае GaAs, свойства его дефектов интенсивно изучаются как из-за их замечательного поведения (метастабильности и реакции дефекта), так и их технологической значимости. Идентификация дефектов с глубокими уровнями в этом материале, тем не менее, весьма затруднительна, по сравнению с состояниями Si. Это обусловлено главным образом с отсутствием сверхтонкой структуры поля Лиганд в спектре электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) всех собственных дефектов [40, 50, 58-60]. Относительно немного дефектов, которые можно прямо характеризовать из ЭПР измерений: ASG3 [40, 50, 58-60,148], VAS [148] и некоторые примеси переходных металлов [40]. Даже при проведении экспериментов с магнитным резонансом, определение точной конфигурации атомов для дефектов представляет большие трудности. В частности, несмотря на интенсивное изучение [40, 50, 58-60,148], точная природа EL2-дефекта до сих пор не установлена. С помощью ЭПР метода показано, что в состав EL2 входит AsGa [40]. Однако в GaAs этот метод не чувствителен к присутствию слабо взаимодействующих дефектов, так как спектр ЭПР имеет широкие линии и сверхтонкая структура не разрешается [40, 5 0, 5 8-60, 1 48]. Поэтому для решения вопроса о том, является ли EL2 изолированным antisite-дефектом AsGa или это комплекс дефектов требуется привлечение дополнительных экспериментальных данных. Теория также может предсказать положение уровня энергии для идеальных и простых собственных дефектов, таких как вакансия или примесь. Но все еще имеются значительные трудности в объяснении искажения и релаксации решетки, которые возникают вокруг дефекта. Для того чтобы проверить предсказания той или иной теории, возникает потребность в создании простых дефектов, их идентификации и измерения характеристик. Возможным способом идентификации дефектом является изучение свойств дефектов, вводимых электронной и протонной бомбардировкой, и сравнение их со свойствами собственных дефектов. Это делается главным образом при помощи DLTS спектроскопии [144, 148] и измерения локальных мод колебаний [149]. В случае дефектов, вводимых электронным облучением при комнатных температурах в n-GaAs, происхождение большинства из них (пяти электронных ловушек (Е1-Е5) и двух дырочных (НО, HI)) были более или менее атрибутированы [144], хотя некоторые замечательные свойства радиационных дефектов (бистабильность Е1-, Е2- и ЕЗ-ловушек), как было показано в нашей работе [141], а также в статьях других авторов [150-154], требовали более тщательного изучения. Исследования образования радиационных дефектов от направления пучка частиц по отношению к главным осям кристалла с помощью метода DLTS показали, что ловушки El, Е2 и ЕЗ проявляют анизотропию темпа генерации, обусловленную взаимодействием смещаемого атома с ближайшими соседями, и связаны с дефектами в As-подрешетки [155]. В работе [108] предположили, что уровни Е1 и Е2 связанны с одним и тем же дефектом, так как их концентрации всегда равны и этим дефектом является изолированная вакансия мышьяка V [144]. Наличие рядом с изолированной VAS атома междоузельного мышьяка As; должно приводить к сдвигу энергетического уровня дефекта по отношению к уровню Е2, приводя к увеличению энергии связи. Дефекты в подрешетке галлия не были обнаружены с помощью DLTS, так как Voa-Gaj пары быстро рекомбинируют после образования уже при низких температурах (»4 К) [108]. Сделанный ранее в работе [143] вывод о связи уровня ЕЗ с дефектом в подрешетке галлия оказался неверным, так как энергия частиц была значительно выше граничной энергии дефектообразования [156], поэтому средний угол рассеяния на атомах As и Ga значительно отличался от нуля. Оценки, сделанные на основе кулоновского взаимодействия между VAS И AS показали, что уровень ЕЗ должен быть связан с парой дефектов VAS-ASJ, находящихся на расстоянии »8 А [144]. На основании исследования полевой зависимости темпа эмиссии с ловушек Е4 и Е5, в работе [157] пришли к выводу о том, что эти уровни связаны с парой дефектов EL2-E2 и EL2-E3 соответственно. Наличие рядом с ловушкой EL2 более мелких (Е2 и ЕЗ) приводит к изменению наблюдаемого с помощью DLTS темпа эмиссии, так как наряду с термической эмиссией электрона в зону проводимости необходимо учитывать многофононные переходы между близко расположенными дефектами [157]. В пользу идентификации Е5 как пары EL2-ЕЗ говорит тот факт, что Е5 и ЕЗ проявляют идентичное поведение при рекомбинационно-стимулированном [158] и термическом отжиге [159] в широком температурном диапазоне. Недостаточно ясен был вопрос о AsGa-дефекте, который, как это было хорошо установлено из ЭПР исследований, образуется при электронном облучении и его концентрация растет с ростом дозы облучения [50], тогда как EL2-дефект присутствовал до облучения и рост его концентрации в спектрах DLTS не был обнаружен. Кроме того, ЭПР спектр Asca -дефекта на облученном GaAs не проявляет эффекта фотогашения, являющегося отличительным свойством ЕЬ2-дефекта [50]. На этом основании в работе [50] было сделано предположение о том, что имеется два типа дефектов: один это уровень EL2, связанный с комплексом, состоящим из antisite-дефекта и междоузельного мышьяка (AsGa-As;) и проявляющий метастабильные свойства. Другой дефект генерируется в облученном GaAs и является изолированным antisite-дефектом AsGa, свойства которого отличаются от свойств EL2-дефекта. Эта ситуация была характерна для электронно-облученного GaAs. Не менее интересно исследовать GaAs при облучении его протонами с высокой энергией и определить будет ли происходить образование аналогичных дефектов и с теми же свойствами, что и при облучении электронами или произойдут определенные изменения. Это тем более важно, что облучение протонами происходит в ряде случаев при эксплуатации и производстве полупроводниковых приборов.
Изучение радиационных дефектов в GaAs привлекает значительное внимание из-за его использования в условиях повышенной радиации. Благодаря прямозонной структуре GaAs является превосходным материалом для изготовления солнечных преобразователей, конвертирующих свет в электрическую энергию. Деградация фотоэлектрических параметров солнечных преобразователей в условиях открытого космоса связана с генерацией радиационных дефектов с глубокими уровнями, которые вызывают генерационно-рекомбинационные процессы в области объемного заряда и приводят к уменьшению диффузионной длины неосновных носителей [160]. Существенную роль в этом процессе играют высокоэнергетичные протоны [160].
