Исследование эффекта спонтанного упорядочения примесных комплексов в арсениде галлия n-типа Давлеткильдеев, Надим Анварович

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Прогресс в области физики твердого тела и физики полупроводников в настоящее время в значительной мере обусловлен возможностями создания и изучения новых объектов пониженной размерности с квантовыми свойствами -квантовых точек, квантовых проволок и их пространственных комбинаций -сверхрешеток. Однако, физические пределы традиционных способов получения таких объектов с характерными размерами 1-100 нм, при которых наиболее полно проявляются их квантовые свойства, ограничены. Поэтому большие надежды по созданию объектов пониженной размерности возлагаются на технологии, использующие эффекты их самоорганизации в определенных условиях выращивания, в условиях фазовых переходов, разделения фаз в гетерофазных системах и в процессе контролируемых внешних воздействий. Далеко не исчерпанным в этом отношении остается и традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов, основанный на использовании процессов легирования их примесями. Упругое, кулоновское или химическое взаимодействие с участием атомов основного вещества, атомов легирующих примесей, а также собственных точечных структурных дефектов может приводить к образованию в полупроводнике различного рода комплексов. Многие из образующихся в результате таких взаимодействий комплексов обладают достаточно высокой устойчивостью и оказывают существенное влияние на свойства полупроводника, являясь эффективными центрами излучательной и безызлучательной рекомбинации, определяя степень компенсации, концентрацию и характер рассеяния носителей заряда, фоточувствительность и ряд других важных характеристик материала. Явления комплексообразования достаточно хорошо исследованы на примере германия, кремния, арсенида галлия. В то же время процессы упорядочения структурных комплексов в полупроводниках, эффекты спонтанного образования сверхструктур при определенных уровнях легирования, экспериментально обнаруженные в широком классе полупроводниковых материалов, не имеют сегодня достаточно полного физического обоснования несмотря на фундаментальный характер проблемы. Нет четкого представления о механизме процессов самоорганизации в легированных полупроводниках, о поведении самоорганизующихся систем при воздействии внешних факторов (электрических и тепловых полей, оптического излучения,

радиационного воздействия). Поэтому большой интерес и актуальность представляет исследование эффектов упорядочения структурных комплексов в легированных полупроводниках, влияния упорядочения на фундаментальные свойства материала, изучение возможности получения упорядоченного состояния и его устойчивости при внешних воздействиях.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы являлось исследование особенностей оптических и электрофизических свойств арсенида галлия n-типа, обусловленных образованием длиннопериодичной сверхструктуры примесных комплексов и влияния радиационного воздействия на процессы упорядочения в примесной подрешетке.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решались следующие задачи:

1. Исследование зависимости структуры спектров краевой фотолюминесценции (ФЛ) монокристаллов GaAs:Te от уровня легирования, температуры и интенсивности возбуждения ФЛ;

2. Разработка качественной модели энергетической зонной схемы системы GaAs:Te при образовании сверхструктуры примесных комплексов;

3. Изучение влияния уровня легирования на температурное поведение термодинамических параметров и кинетических свойств носителей заряда в монокристаллах GaAs:Te;

4. Исследование влияния у-обяучения различной интенсивности на процессы упорядочения примесных комплексов в монокристаллах GaAs'.Te.

Научная новизна работы.

5. Обнаружено, что в монокристаллах арсенида галлия, легированного теллуром при концентрации свободных носителей заряда п₀ > 2x10¹⁸ см"³ и интенсивностях возбуждения ФЛ L > 10¹⁹ квант-см'²с'' низкотемпературный спектр "близкраевой" ФЛ имеет структуру, обусловленную наличием двух перекрывающихся полос излучения. На основе детального анализа формы спектра ФЛ, выполненного с использованием моделей ВВ- и ВТ-рекомбинации, установлено, что полосы ФЛ относятся к межзонным оптическим переходам.

6. Показано, что структура спектра краевой ФЛ при п₀ > 2x10¹⁸ см'³ обусловлена модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости

вследствие образования минизонного электронного энергетического спектра.

3. В монокристаллах GaAstTe в области критических концентраций свободных носителей заряда n_rj = (3 - 4)х 10¹⁸ см'³ впервые обнаружена нерегулярная зависимость теплоемкости и электропроводности от температуры при Г~ 300 К, характерная для фазовых переходов первого рода. Данное фазовое превращение идентифицируется как электронный фазовый переход.

4. В монокристаллах GaAs:Te с критической концентрацией свободных носителей заряда п₀ ~ (3 - 4)х 10¹⁸ см'³ впервые обнаружено возрастание холловской подвижности свободных носителей заряда до значений, характерных для слабо легированных образцов. Показано, что увеличение подвижности носителей заряда обусловлено уменьшением вклада рассеяния на ионах примеси вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов.

5. Обнаружен эффект радиационно-стимулированного упорядочения примесных комплексов в области предкрптических концентраций свободных носителей заряда я = (1,2 - 2,5)xl0'^s см"³.

Практическая значимость работы.

Расширяется возможность применения арсенида галлия, так как в области упорядочения примесных комплексов исследуемый материал представляет собой новый класс сильно легированных полупроводников, кинетические явления в которых не контролируются уровнем легирования. Обнаруженное явление открывает возможность создания новых технических решений (в том числе и объектов пониженной размерности) на базе модулированной структуры с малым (по сравнению с искусственными сверхрешетками) вектором трансляции. Твердотельная база современной электроники, опто-, акустоэлектроники, интегральной оптики использует переходы с градиентом концентрации в широком диапазоне, поэтому правильный учет явления фазовых переходов позволит организовать технологический процесс по детерминированному пути, обеспечить лучшую воспроизводимость параметров полупроводника.

Основные положения, выносимые на зашиту.

1. Изменение структуры спектров собственной излучательной рекомбинации в GaAsrTe при критических концентрациях свободных носителей заряда п = (3 - 4)х10¹⁸ см"³ обусловлено модификацией функции плотности состояний в зоне проводимости вследствие образования минизонного

электронного гргетического спектра.

2. Температурный фазовый переход в монокристаллах GaAs:Te при критических концентрациях свободных носителей зарядап₀= (3 - 4)х10'⁸ см^-3, обусловленный процессом "электронного диспергирования".

3. Увеличение подвижности свободных носителей заряда в монокристаллах GaAs:Te при критических концентрациях свободных носителей заряда п₀ = (3 - 4)хЮ¹⁸ см"³ обусловлено уменьшением вклада рассеяния на ионизированных примесях вследствие образования упорядоченной сверхструктуры примесных комплексов.

4. Эффект радиационно-стимулированного упорядочения в области предкритических концентраций свободных носителей заряда в монокристаллах GaAs:Te.

Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург- 1996 г., Москва -1997 г., Новосибирск -1999 г.), Седьмой Российской конференции "GaAs - 99" (Томск - 1999 г.), Международных конференциях по физике полупроводников (Берлин, Германия -1996 г., Иерусалим, Израиль -1998 г.), Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск - 1997 г.), Международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск - 1998 г.), Международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск -1998 г.).

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и содержит 124 страницы машинописного текста, 56 рисунков и 3 таблицы.