Электрофизические и рекомбинационные свойства трансмутационно легированных монокристаллов и эпитаксиальных слоев арсенида галлия Шох, Владимир Федорович

Введение к работе

Актуальность темы

Интерес к проблеме трансмутационного легирования арсенида галлия обусловлен возможностью получения с использованием данного метода однородно легированных монокристаллов и структур с точно заданным уровнем легирования мелкими примесями. Однако практическое получение высококачественного трансмутационно легированного GaAs связано с преодолением ряда трудностей физического характера и требует углубленного знания физики процессов, протекающих в кристалле при облучении и пострадиационном отжиге. Несмотря на то, что до настоящего времени по данной проблеме выполнен достаточно большой объем исследований, имеющиеся литературные данные являются неполными и частично противоречивыми, что обуславливает необходимость проведения комплексных исследований свойств трансмутационко легированных материалов.

Связь работы с крупными научными программами, темами

Работа выполнялась в Минском научно-исследовательском институте радиоматериалов и в лаборатории радиационных воздействий Института физики твердого тела и полупроводников Академии наук Беларуси в рамках заданий Республиканских научно-технических программ "Кристалл" (НИР 2.10А "Исследование взаимодействия радиационных и термических дефектов в кремнии, арсешіде галлия и р-п-структурах"), "Структура" (НИР "Исследование образования дефектно-примесных комплексов в кремнии, арсениде галлия и структурах на их основе"), проекта Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь ФЗ1-158 "Создание физических основ ядерно-физических технолопій получения материалов на основе А³В⁵", Программы совместных работ Минского НИИ радиоматериалов и Института технолопій электронных материалов (ГГМЕ, Варшава, Республика Польша), включенной в Программу Белорусско-Польского научно-технического сотрудничества.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы являлось установление влияния условий облучения и характеристик исходных монокристачлов и зпитаксиальных слоев (ЭС) на закономерности пострадиационного отжига и свойства трансмутационно легированного (ТЛ) арсенида галлия.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние "жесткости" спектра реакторных нейтронов и
характернстеї; исходного арсенида галлия на электрические и рекомбина-
ционные свойства нейтронно трансмугационно легированного (НТЛ) GaAs
в процессе изохронного отжига.

2. Исследовать электрические и рекомбинащюнные свойства ото
жженных нейтронно легированных монокристаллов и эпитаксиальных сло
ев арсенида галлия, облученных в широком диапазоне флюенсов тепловых
нейтронов.

3. Исследовать электрические и рекохмбинационнке свойства эпитак
сиальных слоев GaAs, облученных с целью тршсмутационного легирова
ния высокоэнергетическими у-квантами.

Научная новизна работы

1. Показано, что увеличение концентрации электронов в исходных кристатлах арсенида галлия приводит к снижению температуры восстановления электрических и рекомбинационных свойств НТЛ GaAs в процессе пострадиационного отжига.

2. Установлено, что остаточные акцепторы углерода в трансмугационно легированном арсениде галлия взаимодействуют с радиационными дефектами с образованием центров безызлучательной рекомбинации.

3. Обнаружено, что в процессе облучения эпитаксиальных слоев GaAs имеет место радиационно-стимулированная диффузия остаточных технологических акцепторов углерода из подложки в эгштаксиальный слой.

4. Обнаружено, что характер проявлешм U-полосы в спектрах, регистрируемых методом нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней в НТЛ GaAs, зависит от положения уровня Ферми в исходных не-облученных кристаллах.

5. Впервые эксперименально показано, что в результате фотоядерного лепірования имеет место компенсация эшггаксиальных слоев арсенида галлия п-типа проводимости. Из исследования спектров фотолюминесценции ФЯЛ GaAs обнаружены трансмутационные акцепторы Zn. Основную роль в процессе отжига ФЯЛ GaAs играют радиационные дефекты Р1 и Р2.

Практическая значимость полученных результатов

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке технологии получения высококачественных однороднолегиро-ванных монокристаллов и эпитаксиальных структур арсенида галлия с использованием метода нейтронного трансмутационного лепірования. Проведенные систематические исследования влияния условий облучения и ха-

рактеристик исходного материала на свойства НТЛ GaAs позволяют определить грашщы применимости данного метода к арсениду галлия, а также оптимизировать процессы трансмутационного легирования и пострадиационного отжига с целью достижения требуемых параметров материала. Использование высокооднородтгых НТЛ кристаллов и структур GaAs в полупроводниковой электронике будет способствовать повышению качественного уровня и повышению процента выхода изготавливаемых приборов.

Наиболее предпочтительным является использование для целей НТЛ нелегированных монокристаллов GaAs п-типа проводимости. При целевом выращивании нелегированного полуизолирующего GaAs такие материалы являются как правило следствием использования недостаточно чистых исходных материалов (металлические Ga, As, поликристаллический GaAs). Имея совершенную кристаллическую структуру, данные кристаллы являются технологическим браком с точки зрения электрических параметров и подлежат переплавке. С помощью метода НТЛ на основе таких материалов могут быть получены высококачественные кристаллы n-типа проводимости. Однако получение нейтронно легированных материалов с уровнем легирования выше 10^!8 см'³ является нецелесообразным ввиду фактического насыщения концентрации электронов в НТЛ GaAs. Нейтронное легирова-шіе полуїволирующих кристаллов, выращенных методом Чохральского, является возможным лишь при облучении флюенсами тепловых нейтронов, превышающими 10¹⁷ см" (соответствующий уровень легирования п>10¹⁶см*³).

Особый интерес представляет использование метода нейтронного легирования для эпитаксиальных структур GaAs. Методом НТЛ могут быть получены высокооднородные ЭС с концентрацией электронов 10¹⁴-10¹⁶ см'³ для структур на полуизолїфующих подложках и 10¹⁴-10¹⁷ см"³ для структур на сильнолегированных д⁺-подложках. Такие материалы используются для создания широкого спектра приборов и микросхем.

Метод фотоядерного легирования может быть использован с целью снижения концентрации электронов в ЭС GaAs n-типа проводимости, что представляет интерес при изготовлении силовых и оптоэлектрошсых приборов.

Основные положения, выносимые на защиту

6. Влияние свойств исходного материала и условий облучения в реакторе на закономерности пострадиационного отжига и процессы дефекто-образования в нейтронно трансмутационно легированных монокристаллах и эпитаксиальных слоях арсенида галлия.

7. Роль остаточной технологической примеси углерода в процессах радиационного дефектообразования в трансмутационно легированном ар-сениде галлия: комгшексообразование атомов углерода с радиационными дефектами с образованием центров безызлучательной рекомбинации, ра-диационно-стимулированная диффузия примеси углерода из подложки в эгштаксиальный слой,

8. Экспериментальное обоснование возможности фотоядерного легирования арсенида галлия и закономерности восстановления электрофизических и рекомбинационных свойств фотоядерно легированных эпитаксиальных слоев арсенида галлия.

Личный вклад соискателя