Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Ионная имплантация как метод управления электрофизическими и оптическими свойствами соединений
I.I Дефектообразование и термодинамика процессов равновесной самокомпенсации І О
1.2 Особенности радиационного дейектообразования вЛп^і .23
1.3 Ионное легирование соединений А В' 2 J
Выводы. Постановка задачи JD
ГЛАВА II. Исследование электрических и оптических свойств низкоомных слоев Znpe f ионно-летированных In
2.1 Методика получения ионно-летированных индием слоев Zn$e . Измерение электрофизических параметров. . .39
2.2 Электрофизические параметры слоев селенида цинка, ионно-легированного индием ^Ь
6 2.3 Фотолюминесценция селенида цинка, имплантированного индием .' «52.
S 2.4 Обсуждение результатов оО
ГЛАВА III. Дырочная проводимость селенида цинка, ионно-легированного мышьяком
3.1 Особенности приготовления ионно-легированных слоев Znpe р-гипа и методика измерения их электрофизических параметров S8
Я 3.2 Электрические и оптические характеристики слоев селенида цинка, и онно-легированного
$ 3.3 Обсуждение результатов
ГЛАВА IV Излучающие структуры с барьером Шоттки и имплантационным р-п-переходом на основе селенида цинка. . .32
4.1 Особенности излучающих структур на основе широкозонных соединений А В 32
4.2 Технология приготовления и методака исследования излучающих структур 100
5 4.3 Сравнительные исследования инжекционной электролюминесценции в структурах с барьером Шоттки и имплантационным р-п-переходом 102-
4.4 Обсуждение результатов 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ /2/
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ /22
- Дефектообразование и термодинамика процессов равновесной самокомпенсации
- Методика получения ионно-летированных индием слоев Zn$e . Измерение электрофизических параметров.
- Особенности приготовления ионно-легированных слоев Znpe р-гипа и методика измерения их электрофизических параметров
- Особенности излучающих структур на основе широкозонных соединений А В
Дефектообразование и термодинамика процессов равновесной самокомпенсации
Класс бинарных соединений А В х представляет собой кристаллы с атомной структурой, отвечающей минимуму свободной энергии Гиббса:
где Н - энтальпия,
Т - абсолютная температура, - энтропия. При Т=0 структура кристалла полностью упорядочена и атомы занимают свойственные им узлы. Однако в реальных условиях при Т О равновесному состоянию с наименьшей свободной энергией будет соответствовать кристалл АВ с определенной степенью разупорядочения СП .
В кристалле могут существовать следующие виды разупорядочения:
1. Атомы занимают места в междуузлиях AL и В; , при этом имеет место образование вакансий VA И VB , то есть пустых узлов, нормально занятых в совершенном кристалле. В данном случав мы имеем дело с разупорядочением по Френкелю;
2. Атом А или В, покинув узел, вышел на поверхность и там занял нормальное положение. При этом наблюдается достройка кристалла с образованием вакансий в объеме % и VB , ЧТО приводит к увеличению объема кристалла и уменьшению его плотности L 21 , В таком случав имеет место разупорядочение по Шоттки;
3. Антиструктурное разупорядочение имеет место, когда атомы А или В занимают несвойственные им узлы АВ ВА , нормально занятые атомами А или В соответственно.
Кроме того, в реальных условиях в кристалле может находиться неконтролируемая примесь, либо ее вводят специально при легировании, которая может занимать узлы, нормально занятые А или В, или находиться в междуузлии { FA ,FB, FL соответственно). Следует, однако, сказать, что образование вышеперечисленных дефектов не всегда возможно, оно будет зависить от размеров замещающего и замещаемого атомов.
Точечные дефекты в кристалле могут быть как в нейтральном, так и в заряженном состоянии. Например, при образовании дефекта по Шоттки, когда атом В покидает узел, то образуется нейтральная вакансия VB , а связи двух электронов, которые принимали участие в химической связи, теперь ослаблены. При сообщении определенной энергии один, а затем и другой электрон могут перейти в зону проводимости с образованием одно- или дважды ионизованной вакан-сии металлоида, несущей положительный заряд Ув или Ув . Таким образом вакансия металлоида является поставщиком электронов в зону проводимости - донором. Однако энергия, необходимая для двукратной ионизации,может в несколько раз превосходить энергию однократной ионизации, как это показано для Zn5 Г 3,4] . Аналогично, рассматривая механизм образования дефектов по Шоттки, в подре-шетке металла, можно придти к выводу, что Уд может принимать на себя электроны из валентной зоны, заряжаясь отрицательно % и VA , и является таким образом акцептором. В данном случае недостаток электронов при образовании нейтральной вакансии VA локализован в подрешегке металлоида и захват электронов акцепторным уровнем следует рассматривать как поставку этим уровнем дырок в валентную зону. Аналогично междуузельные атомы А і являются донорами, а В; - акцепторами. Примесный атом, занимая узел А или В, будет являться донором или акцептором в зависимости от того, больше или меньше у него валентных электронов, чем у замещаемого атома.
Электрофизические--свойства соединений А В в значительной мере определяются точечными дефектами, имеющимися в кристалле,и поэтому, зная закономерности, по которым изменяется концентрация дефектов и их зарядовое состояние в зависимости от условий приготовления (температуры или давления), можно определенным образом управлять свойствами этих соединений.
Методика получения ионно-летированных индием слоев Zn$e . Измерение электрофизических параметров
Одним из основных требований при создании излучающих структур на основе селенида цинка является низкоомность базового материала. ZnSe п-типа достаточно низкоомный может быть получен легированием мелкими донорами Ш и УП групп th"l . Обоснование необходимости использования ионного легирования и выбора в качестве ионов лигатуры элементов Ш группы и, в частности, индия проведено в главе I.
С целью оптимизации управления свойствами низкоомных ионно-легирешенных слоев ZnSe необходимо исследование их электрических и оптических характеристик в зависимости от режимов и условий легирования. Важным является также получение информации об энергетической структуре собственных и примесных дефектов.
Используя данные из литобзора по отжигу соединений А В под активной защитной пленкой, целесообразно проводить термообработку имплантированных образцов, подбирая при этом соответствующий материал защитного покрытия.
Проводя имплантацию In , слабо диффундирующего в решетке Zn$e , и послеимплантационный отжиг под защитной пленкой индия следует ожидать более эффективного понижения удельного сопротивления. В данном случае будут обеспечиваться условия для ускоренной диффузии индия по радиационным дефектам из пленки в имплантированный слой. Такие условия отжига позволят наиболее обоснованно идентифицировать электрически и оптически активные дефектные центры и отделить при этом примесные центры от собственно-дефектных.
Глава диссертации посвящена исследованию электрических и оптических свойств и определению энергетической структуры дефектных центров в п-слоях п$ъ , ионно-летированного In. 2.1 Методика получения ионно-легированных индием слоев n$e . Измерение электрофизических параметров.
Экспериментальные исследования ZnSe 9 ионно-легированно-го In , проводились в соответствии со схемой, представленной на рисунке б
Подготовка образцов. Так как при используемых в ионной технологии энергиях внедрения примеси получаемые слои не превышают по толщине, в лучшем случае, нескольких микрон, то накладываются очень жесткие условия на качество подготовки поверхности перед ионной имплантацией. К настоящему времени методы химической обработки поверхности соединений А В разработаны недостаточно полно по сравнению с атомарными полупроводниками и арсенидом галлия. Это, в свою очередь, требует проведения более тщательной и тонкой механической обработки, поскольку конечной целью последующего полирующего травления является удаление механических частиц абразива и выравнивание микрорельефа поверхности.
В качестве исходного материала использовался монокристаллический селенид цинка, выращенный из расплава и специально ничем не легированный, с удельным сопротивлением 9 10 Ом.см. Пластины толщиной 600-800 мкм вырезались из слитка перпендикулярно оси роста, разориентация при резке порядка 7 позволяет не учитывать процессы каналирования при ионной имплантации. Шлифовка и полировка пластин проводилась с двух сторон с контролем качества на микрокопе МИИ-4. На заключительном этапе механической обработки пластины полировались алмазной пастой АСМ-0,5.
Особенности приготовления ионно-легированных слоев Znpe р-гипа и методика измерения их электрофизических параметров
Перспективность применения метода ионного легирования для преодоления термодинамических ограничений получения соединений А В р-типа была показана в главе I. Для оптимизации управления типом проводимости исходного Zn$e в этой же главе обосновано использование ионной имплантации А$ и применение последующего отжига под активное защитной пленкой.
С учетом существования критических условий для получения материала р-типа научный и практический интерес представляют исследования электрических и люминесцентных свойств ионно-легирован-ных слоев в зависимости от режимов имплантации и условий последующего отжига, проводимого вблизи Ткриг.
В соответствии с этим в настоящей главе диссертации проводится:
1. обоснование выбора материала активного защитного покрытия и способа формирования омических контактов к Znpe р-типа;
2. исследование электрических и люминесцентных свойств в зависимости от режимов имплантации А$ и условий последующего отжига; 3. исследование энергетической структуры электрически и оптически активных дефектных центров в ионно-легированных р-слоях ZnSe.
3.1 Особенности приготовленім ионно-легированных слоев ZnSe р-гипа и методика измерения их электрофизических параметров.
Для создания условий, при -.которых наиболее эффективно проте -60 кают процессы активации примеси и отжига радиационных дефектов, не-обходимо термообработку имплантированных образцов ZnSe проводить под защитной пленкой. В качестве материала пленки использовалось золото. При выборе, материала пленки учитывались следующие Факторы: Во-первых, золото растворяет в себе цинк лучше, чем селен CB -flrJ что способствует при отжиге созданию в кристалле избытка металлоида. Избыток металлоида адекватен образованию вакансий цинка. Таким образом отжиг ZnSe под пленкой золота создает дополни тельные условия для управления типом проводимости за счет увеличения концентрации собственных акцепторных дефектов - вакансий цинка. В этом прежде всего заключается "активная" роль золотой пленки при отжиге. Во-вторых, пленка играет пассивную роль, предотвращая испарение из кристалла металлоида как наиболее летучего компонента, что П УТ характерно для большинства А В В третьих, золото дает омический контакт к р-тиггу L65] И, кроме того, золото является акцептором в селениде цинка.
Рассмотрим Формирование омических контактов к ионно-легированному р-слою. С целью получения хороших характеристик омические контакты к кристаллам создавались [ 33] путем ионного легирования подконтакных областей атомами отдачи из предварительно нанесен о ных на облучаемые поверхности тонких пленок золота (100 А). При этом в процессе имплантации происходит "вбивание" в кристалл и атомов пленки, которые обогащают приконтактную область. На рис. і О представлены основные технологические этапы создания образцов Znbe, ионно-легированного As с золотыми омическими контактами. Такая методика позволяет получать линейную вольт-амперную характеристику контактов ( рис. L9 ) уже при малых напряжениях ДО,50 Однако, существенным недостатком имплантации через предварительно нанесенную пленку является значительное снижение эффективности легирования и ухудшение контроля за дозой внедренной примеси.
Особенности излучающих структур на основе широкозонных соединений А В
Применение метода ионного легирования, как было показано выше, позволяет управлять величиной и типом проводамости, atтакже целенаправленно изменять оптические свойства ZnSe .
Появление полосы 480 нм в спектре фотолюминесценции слоев р-гипа селенида цинка, полученных легированием ионами мышьяка, указывает на перспективность изучения возможности создания твердотельных инжекционных источников света в сине-голубой области спектра. Однако, имеется ряд требований, которые необходимо учитывать при приготовлений излучающих структур на базе селенида цинка.
Обсудим проблему создания хорошего омического контакта к селениду цинка. Так, например, при изготовлении структур с барьером Шоттки необходам омический контакт к р- или п-типу в зависимости от выбора исходного материала. При изготовлении источников света, в основу работы которых заложено использование р-п-перехода необходимо разработать технологию приготовления омического контакта как к п-, так и к р-области.
Под термином "хороший омический контакт" надо понимать следующее: контакт между металлом и полупроводником должен обладать как можно меньшим сопротивлением и не должен давать барьера на границе раздела для более эффективной передачи энергии от источника питания к активному элементу прибора.
Эти требования в той или иной мере довольно просто удается реализовать при изготовлении омических контактов к атомарным по F Т лупроводникам и соединениям класса А В " . При создании же омическо-го контакта к соединениям А В" встречается ряд принципиальных трудностей. Так, например, для выполнения требования, связанного с понижением потенциального барьера на границе раздела, необходимо, чтобы работа выхода материала (Фщ ) была ниже, чем работа выхода полупроводника ( Ф5 ) п-типа и выше, чем работа выхода полупроводника р-типа. Только в этом случае реализуются благоприятные условия переноса носителей через границу раздела, связанные с образованием потенциальной ямы вблизи поверхности полупроводникаЛТо, как оказалось, выбор материала контакта по этому критерию весьма затруднителен 16?] .
Для селенида цинка п-гипа можно использовать в качестве контактного материала индий и получать хороший омический контакт практически для материала любой проводимости. Действительно, из рис.32 построенного с учетом данных [96] (работа выхода In взята равной 3,0 эВ), видно, что при любом положении уровня Ферми р в полупроводнике п-типа будет соблюдаться условие Фш Ф$
Для селенида цинка р-типа наиболее подходящими материалами для контакта будут являться золото и плагина, имеющие работу выхода Фт 5 эВ 16?] . Но и в этом случае рис. 33 даже для высокоом-ного материала, когда уровень Ферми близок к середине запрещенной зоны, не удается реализовать условие,чтобы Фт была больше, чем Ф , . Еще более сложно будет обстоять дело с низкоомным материалом р-типа. Таким образом на границе раздела всегда будет существовать небольшой барьер. В этом случае целесообразно идти по пути уменьшения ширины этого барьера с целью создания более благоприятных условий для туннелирования Lk?] .
