Введение к работе
Исследование оптического поглощения является одним из важнейших методов изучения энергетического спектра полупроводников: структуры энергетических зон и энергетического спектра примесных состояний. Коэффициент примесного оптического поглощения характеризует чистоту материала и совершенство его кристаллической структуры. Данные о концентрации примесей и дефектов и энергии их ионизации важны для физики, техники и технологии полупроводников.
Изучение примесного поглощения полупроводников прямыми оптическими методами, основанными на измерении интенсивности излучения, прошедшего через поглощающую среду, часто бывает невозможно из-за недостаточно высокой чувствительности этих методов, для повышения которой приходится увеличивать толщину образца в направлении распространения излучения, что не всегда возможно для полупроводниковых материалов. Определенного преимущества в чувствительности перед оптическими методами можно ожидать от методов, основанных на использовании явлений, возникающих в поглощающей среде под действием поглощенного излучения. К таким явлениям в полупроводниках относятся фотоэлектрические явления: фотопроводимость и различные фотовольтаические эффекты. Однако известные в настоящее время фотоэлектрические методы определения коэффициента примесного оптического поглощения имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих область их применения.
Целью данной работы является разработка новых фотоэлектрических методов определения коэффициента примесного оптического поглощения, позволяющих устранить недостатки существующих методов. Описанный во второй главе метод, основанный на измерении спектра фотопроводимости (ФП), разрабатывался применительно к полуизолирующим материалам, в которых ФП имеет объемный характер. Другой метод, описанный в третьей главе и основанный на измерении спектра конденсаторной фотоэдс (КФЭ), разрабатывался применительно к проводящим полупроводниковым материалам и слоям, в которых ФП имеет поверхностную (барьерную) природу, и поэтому первый метод оказывается неприменим. Существенное значение во
втором методе имеет использование в качестве эталона поглощения размерно-квантованных гетерослоев.
Оба метода разрабатывались применительно к полупроводникам типа GaAs и апробировались на GaAs и в меньшей степени на ІпР. В настоящее время полуизолирующие и проводящие монокристаллы GaAs и ІпР, а также эпитаксиальные слои и структуры из этих материалов широко используются в различных типах полупроводниковых приборов: СВЧ-транзисторах, лазерах, фотоприемниках, что определяет большой интерес исследователей к изучению свойств этих материалов. Особенно много публикаций в последние годы посвящено размерно-квантованным гетероструктурам на основе GaAs и ІпР.
Научная новизна работы
Предложены и экспериментально обоснованы два новых фотоэлектрических метода определения коэффициента примесного оптического поглощения в полупроводниках типа GaAs, основанных на измерении спектров поперечной фотопроводимости и конденсаторной фотоэдс соответственно. Первый метод применим к полуизолирующим монокристаллам, второй - к проводящим слоям с встроенными в них квантовыми гетероямами.
С применением новых методов установлены особенности примесного поглощения в GaAs в области hv>0.7 эВ, связанные с технологией получения полуизолирующего GaAs и дефектообразованием в проводящих эпитакси-альных слоях GaAs при имплантации ионов аргона.
В связи с обоснованием методов получены новые результаты, касающиеся связи фотоэлектрической чувствительности с коэффициентом примесного поглощения в полуизолирующем GaAs и механизма барьерной фотопроводимости и конденсаторной фотоэдс в эпитаксиальных слоях с встроенными квантовыми ямами.
Практическая ценность
Разработанные и апробированные в работе фотоэлектрические методы определения примесного оптического поглощения могут быть использованы для технологического контроля качества полуизолирующих материалов (GaAs, ІпР и др.) и изучения дефектообразования в монокристаллах и эпитак-
сиальных слоях при различных технологических обработках (окисление, травление, имплантация и др.).
Положения, выносимые на защиту
-
Разработан новый фотоэлектрический метод определения коэффициента примесного оптического поглощения в полупроводниках, основанный на измерении относительной спектральной зависимости поперечной фотопроводимости. При выполнении некоторых условий метод позволяет определять и нефотоактивную часть коэффициента поглощения.
-
С помощью фотоэлектрического метода установлена связь примесного фотоактивного и нефотоактивного поглощения в области hv>0.7 эВ с особенностями технологии получения полуизолирующего GaAs, определены энергии ионизации и оценена концентрация глубоких центров (EL2 и других), с которыми связано поглощение в этой области, установлена связь собственной и примесной фоточувствительности с коэффициентом примесного поглощения. Определены параметры примесного поглощения полуизолирующего InP:Fe.
-
Выявлены особенности барьерной фотопроводимости и конденсаторной фотоэдс в слоях GaAs с встроенными квантовыми гетероямами, связанные с влиянием подсветки и с расположением квантовой ямы относительно поверхностного и внутреннего барьеров.
-
Разработан новый фотоэлектрический метод определения коэффициента примесного поглощения фотоактивных примесей и дефектов в гетерост-руктурах с квантовой ямой (КЯ), основанный на измерении спектра конденсаторной фотоэдс с использованием КЯ как эталона поглощения. С применением этого метода показано, что при имплантации ионов аргона в GaAs при низких энергиях и дозах (5 кэВ, 1012 см"2) один ион создает *6 центров EL2 в приповерхностной области шириной около 10 нм.
Апробация результатов
Основные результаты диссертационной работы докладывались на I Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники", Ленинград, 1989;
Всесоюзной конференции "Фотоэлектронные явления в полупроводниках",
Ташкент, 1989;
5 Всесоюзной конференции по гетероструктурам, Калуга, 1990;
и опубликованы в работах [1 *-8*].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и трех глав. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 61 рисунок, 6 таблиц, библиографию из 112 наименований.
