Содержание к диссертации
Введение Глава 1.
Глава 2.
Глава 3.
Часть 3.1
Фотолюминесценция примесей в GaAs. 39
Фотолюминесценция мелких примесей в GaAs и GaAs/AlGaAs квантовых ямах.
Фотолюминесценция комплексов в легированном GaAs.
Рекомбинация носителей заряда в GaAs дельталегированных структурах.
Методические вопросы исследования. 5 9
Методики получения исследуемых образцов. 59
Методика регистрации стационарной фотолюми-несценции.
Регистрация кинетики и эволюции спектров нестационарной фотолюминесценции со временем.
Выбор режима работы ФЭУ. 7 4
Схема приложения электрического поля поверхностной акустической волны к исследуемым образцам.
Нормировка спектров ФЛ на пропускание оптической системы и спектральную чувствительность ФЭУ.
Разделение сложных спектров фотолюминесценции на элементарные полосы. Определение относительной концентрации центров рекомбинации из спектров фотолюминесценции. Фотолюминесценция нелегированного GaAs 85
Длительная кинетика нестационарной фотолюминесценции нелегированного GaAs.
Эффект длительного затухания нестационарной 85
фотолюминесценции мелких акцепторов в GaAs.
Механизм рекомбинации, обуславливающий длительное затухание фотолюминесценции мелких акцепторов в GaAs.
Экспериментальная проверка механизма рекомбинации длительного затухания фотолюминесценции: кинетика фотолюминесценции мелких акцепторов в GaAs под действием поверхностной акустической волны.
§ 3.1.4. Применение нестационарной ФЛ для исследования состава мелких акцепторов в GaAs.
Часть 3.2. Фотолюминесценция чистого GaAs, полученного методом ЖФЭ.
§ 3.2.1. Фотолюминесценция мелких примесей в слоях чистого GaAs, полученных методом ЖФЭ из растворов-расплавов висмута и галлия.
§ 3.2.1.1. Экспериментальные результаты. 154
§ 3,2.1.2. Обсуждение результатов. 165
§ 3,2.2. Фотолюминесценция мелких примесей в слоях чистого GaAs, полученных методом ЖФЭ из раствора-расплава на основе висмута, легированного редкоземельными элементами.
§ 3.2.2.1, Фотолюминесценция чистого GaAs, полученного из раствора-расплава на основе висмута с иттербием.
§3.2.2.2. Фотолюминесценция чистого GaAs, полученного из раствора-расплава на основе висмута с гадолинием .
Часть 3.3. Фотолюминесценция чистых слоев GaAs и AlGaAs, полученных методом ШТЭ.
§ 3.3.1. Влияние температуры роста на состав примесей 188 и дефектов в чистом GaAs, полученном методом. МЛЭ.
§ 3.3.2. Механизм изменения концентрации мелких фоновых примесей в слоях GaAs, полученных методом МЛЭ, при изменении молекулярного состава потока мышьяка.
§ 3.3.2.1. Экспериментальные результаты. 206
§ 3.3.2.2. Обсуждение результатов. 217
§ 3.3.3. Фотолюминесценция высокочистых слоев AlGaAs, 219 выращенных методом МЛЭ. Глава 4, Фотолюминесценция легированного акцепторами 232 GaAs.
Часть 4.1. Фотолюминесценция легированного германием GaAs, полученного методом ЖФЭ.
§ 4.1.1. Фотолюминесценция комплексов в легированном 233
§ 4.1.2. Механизмы влияния комплексов на эффективность излучателькой рекомбинации в сильно легированном
§ 4.1.3. Механизм рекомбинации через уровень комплекса, ответственного за полосу фотолюминесценции с энергией максимума
§ 4.1.4. Влияние условий роста на состав и концентрацию комплексов в p-GaAs.
§ 4.1.4.1. Влияние температуры роста на концентрацию комплексов в сильно легированном p-GaAs:Ge.
§ 4.1.4.2. Влияние состава Gai HBix жидкой фазы на состав комплексов в GaAs:Ge.
§ 4.1.4.3. Фотолюминесценция комплексов в p-GaAs:Ge, легированном изовалентными примесями индием и сурьмой,
Часть 4.2. Фотолюминесценция GaAs легированного цинком, полученного методом ЖФЭ.
§ 4.2,1. Экспериментальные результаты. 286
§ 4.2.2. Обсуждение результатов. 301
Часть 4.3. Фотолюминесценция GaAs легированного марганцем, полученного методом ЖФЭ из раствора расплава на основе висмута.
§ 4.3.1. Экспериментальные результаты. 305
§ 4.3.1.1. Электрические параметры слоев GaAs:Мп. 305
§ 4,3.1,2. Фотолюминесценция экситонов в сильно легированных слоях GaAs:Mn.
§ 4.3.1.3. Связанные с марганцем центры рекомби?іации в сильно легированных слоях GaAs:Mn.
§ 4.3.2. Обсуждение экспериментальных результатов. 332
Часть 4.4. Фотолюминесценция слоев GaAs легированных бериллием, полученных методом МЛЭ.
§ 4.4.1. Зависимость концентрации комплексов в слоях GaAs: Be от отношения потоков галлия и мышьяка.
§ 4.4.2. Трансформация спектров фотолюминесценции GaAs: Be, индуцированная отжигом при гидростатическом давлении.
Глава 5. Фотолюминесценция примесей в низкоразмерных структурах.
Часть 5.1. Исследование фотолюминесценции легированного GaAs.
§ 5.1.1. Экспериментальное обнаружение люминесценции, связанной с S-р- слоем в GaAs.
§ 5.1.2. Исследование зависимости фотолюминесценции слоя от интенсивности возбуждения и температуры .
§ 5.1.3. Кинетика фотолюминесценции 383
Часть 5.2.
Заключение Литература
Механизм излучательной рекомбинации фото электронов с дырками, локализованными в потенциальной яме 6-слоя.
Донорно-акцєпторная рекомбинация в GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода.
Введение к работе
Любой полупроводник - в виде объемного монокристалла, тонкой пленки или низкоразмерной гетероструктуры -находит применение в повседневной жизни лишь при условии, что он обладает необходимыми характеристиками. Набор требуемых параметров может сильно зависеть от прибора, в котором планируется использовать данный полупроводник, однако в большинстве случаев определяющую роль играет тип и концентрация свободных носителей заряда, их подвижность и время жизни. Требуемые параметры обычно достигаются легированием.
Одной из актуальных задач в этой области является целенаправленное управление рекомбинационными процессами полупроводников с помощью легирования. Поскольку энергетические состояния примесей в полупроводниках увеличивают число возможных взаимодействий между электронами, фотонами и фононами, эта задача не является простой, поэтому актуальным является исследование ре-комбинационного излучения легированных полупроводников, которое связано с оптическими переходами через уровни примесей и других дефектов кристалла {«extrinsic luminescence» в англоязычной литературе} . Анализ спектрального распределения рекомбинационного излучения, его поляризационных и кинетических характеристик позволяет получать информацию об энергетическом спектре, составе и структуре дефектов кристалла, об их влиянии на процессы релаксации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниках и т.д.
Данное направление исследования, будучи традиционным, сохраняет свою актуальность и сегодня, поскольку прогресс техники эксперимента и технологии синтеза полупроводниковых структур дает новые возможности решения существующих задач и ставит перед исследователями новые вопросы. Так, например, в течение длительного времени исследованию механизмов и кинетики излучатель ной рекомбинации в GaAs, являющимся важным в практическом отношении материалом и модельной системой для исследования процессов рекомбинации в прямозонных полупроводниках, посвящалось большое количество работ. На основе полученных данных была построена картина релаксации и рекомбинации неравновесных носителей заряда при гелиевых температурах в прямозонных нелегированных полупроводниках, из которой следует, что кинетика рекомбинации свободных электронов через уровни водородоподобных акцепторов описывается экспоненциальным законом с характерным временем затухания в несколько микросекунд. Развитие экспериментальной техники позволило нам установить, что принятая картина рекомбинации неравновесных носителей заряда не учитывает существенных механизмов, определяющих кинетику электронов в зоне проводимости GaAs при гелиевых температурах и приводящих к закону затухания люминесценции, весьма далекому от ожидавшегося простого закона для переходов зона-акцептор.
В силу высокой чувствительности электронных свойств полупроводников к электрически активным примесям актуальной является задача идентификации примесей в нелегированных полупроводниках, определении источников и механизмов вхождения и поиск путей уменьшения концентрации «фоновых» примесей. В связи с этим необходимо развивать методики, обеспечивающие идентификацию примесей, присутствующих в полупроводнике в малых концентрациях. В практически важном случае GaAs и близких соединений идентификация водородоподобных акцепторных примесей методом люминесценции может быть существенно затруднена из-за перекрытия линий зона-акцептор и донор-акцептор. Поэтому актуальным является развитие методики люминесцентной спектроскопии акцепторов, обеспечивающей улучшение разделения этих линий в спектрах люминесценции,
В легированных полупроводниках научный и практический интерес представляет изучение люминесценции комплексов атомов примеси и собственных точечных дефектов кристалла [1,2,3] и механизмов влияния таких комплексов на процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда. К моменту начала данной работы люминесценция комплексов и процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда с их участием в эпитаксиальных слоях GaAs, легированных водородоподобными акцепторами, систематически не изучалась. Более того, сформировалось мнение, что в спектрах люминесценции этого материала, в отличие от GaAs, легированного водородоподобными донорами, при всех достижимых уровнях легирования доминирует полоса краевой люминесценции. А влияние примеси сводится к изменению формы линии краевой люминесценции из-за размытия энергетического спектра полупроводника вблизи краев разрешенных зон и формирования «хвостов» плотности состояний. Между тем, исследование механизмов и установление степени влияния комплексов на процессы рекомбинации и времена жизни неравновесных носителей заряда является актуальным в связи с активным использованием сильно легированного акцепторами GaAs в современных опто- и СВЧ-электронных приборах: фотокатодах с отрицательным электронным сродством, гетеробиполярных транзисторах, pin-диодах и т.д.
Развитие в последние годы технологий молекулярно-лучевой зпитаксии (МЛЭ) и эпитаксии из металлоорганических соединений привело к появлению низкоразмерных структур - квантовых ям и сверх решеток, а в последнее время также квантовых проволок и квантовых точек, обладающих транспортными и рекомбинационными свойствами, отличающимися от свойств объемных полупроводников. Значительное превосходство в целом ряде случаев характеристик приборов на основе квантоворазмерных структур привело к тому, что они уже применяются на практике при создании биполярных и полевых транзисторов и полупроводниковых источников, модуляторов и приемников излучения [4, 5] . Принципиальное отличие характеристик системы носителей заряда в квантоворазмерных структурах от их свойств в объемных материалах и значительные перспективы их применения на практике, очевидно не исчерпывающиеся уже реализованными приборами, обуславливает большой интерес к фундаментальным свойствам структур пониженной размерности, в частности, к свойствам примесей в них [б] . Новые технологии синтеза полупроводниковых структур открывают дополнительные возможности по использованию легирования для получения полупроводников с необходимыми характеристиками. В МЛЭ примеси могут использоваться для создания двумерных систем - потенциальных ям, приводящих к квантованию движения носителей заряда. Для этого при росте структуры формируется слой примеси толщиной менее боровского радиуса соответствующих носителей заряда и концентрацией выше порога вырождения электронного газа (планарное или 8-легирование) , что приводит к созданию "самосогласованной" системы ионизованных примесных атомов и носителей заряда [7] . Принципиальные отличия структур с 8-легированным слоем от композиционных гетероструктур состоят Б наличии системы вырожденных свободных носителей и монополярности потенциальной ямы, квантующей движение носителей одного знака и отталкивающей носители другого. Вследствие этого рекомбинационные и транспортные свойства 5-легированного материала отличаются от свойств объемных слоев и композиционных структур. К началу данной работы в литературе имелись сообщения об исследовании рекомбинаци-онных свойств 5-легированного донорами GaAs и было показано, что электронная структура 8-п-легированного слоя не проявляется в спектрах люминесценции [8] . Вместе с тем, не был изучен 5-легированный акцепторами GaAs. Остался без ответа фундаментальный вопрос: является ли принципиально возможной рекомбинация носителей заряда, локализованных в квантованной 5-яме, с носителями заряда, расположенными в объеме структуры. Информация об энергетическом спектре и рекомбинационных свойствах дельта-легированных акцепторами структур актуальна, поскольку дельта-легирование активно используется при создании различных исследовательских и приборных структур
Среди большого разнообразия композиционных низкоразмерных структур особый интерес представляют гетероструктуры с энергетической диаграммой второго рода, включающие непрямозонные полупроводники, рекомбинация носителей заряда в которых затруднена необходимостью рассеяния квазиимпульса одного из них. В этом случае вероятность рекомбинации через уровни примеси может быть сравнима с вероятностью собственной рекомбинации, и с помощью легирования можно управлять рекомбинационными параметрами таких структур. Типичными представителями таких структур являются GaAs/AlAs сверхрешетки второго рода, в которых электроны локализованы в Х-долине зоны проводимости AlAs, а дырки в Г-долине валентной зоны GaAs. Исследования GaAs/AlAs сверхрешеток имеют большое значение для установления фундаментальных свойств широкого класса низкоразмерных структур второго рода на основе материалов типа А3В5 и Si/Ge. Исследования примесной люминесценции в подобных структурах ранее не проводились. Из изложенного выше следует, что для решения задачи целенаправленного управления рекомбинациокными свойствами эпитаксиальных слоев и низкоразмерных структур на основе арсенида галлия с помощью легирования необходимо определить основные механизмы и степень влияния атомов примеси и комплексов атомов примеси с собственными точечными дефектами кристалла на процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда.
Для достижения сформулированной цели з работе решались следующие основные Задачи:
- Определение закона затухания люминесценции водородоподоб ных акцепторов после импульсного возбуждения при гелиевых температурах в арсениде галлия и близких соединениях.
Идентификация линий люминесценции, связанных с электронными переходами на уровни водородоподобных фоновых акцепторов в слоях GaAs, полученных методами жидкофазной (ЖФЭ) и молекулярно-лучевой эпитаксии. Анализ механизмов, определяющих концентрацию фоновых примесей в слоях GaAs, и поиск путей уменьшения их концентрации.
Выявление линий люминесценции, обусловленных комплексами атомов примеси и собственных точечных дефектов кристалла, в слоях GaAs, легированных германием, цинком, бериллием и марганцем, основными акцепторными примесями, используемыми при ЖФЭ и МЛЭ.
Установление роли комплексов в процессах рекомбинации неравновесных носителей заряда в слоях GaAs, легированных акцепторами. Определение условий роста слоев, при которых концентрация комплексов и их влияние на рекомбинационные параметры слоев минимальны.
Обнаружение люминесценции и исследование механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда в 5-легированных акцепторами слоях GaAs.
- Идентификация линий люминесценции, связанных с легирующими примесями, и определение механизмов рекомбинации неравно весных носителей заряда в легированных GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода. Научная новизна работы. Все основные экспериментальные и расчетные результаты диссертационной работы получены впервые. Научная новизна конкретных результатов состоит в следующем:
1. Экспериментально показано, что, в отличие от существовавших представлений, кинетика ФЛ водородоподобных акцепторов в GaAs при гелиевых температурах является длительной (мил-лисекундной} и неэкспоненциальной. Разработана модель, объясняющая данное явление, и проведена экспериментальная проверка этой модели.
2. Идентифицированы линии ФЛ комплексов, состоящих из атомов легирующей примеси и собственных точечных дефектов кристалла , в слоях GaAs, легированных германием, цинком, бериллием или марганцем. Получены зависимости концентрации комплексов от концентрации акцепторов и условий роста слоев, что позволило предложить элементный состав комплексов. Установлена зависимость концентрации центров безызлуча-тельной рекомбинации, индуцированных марганцем, от его концентрации в слоях.
3. Изучена энергетический спектр комплексов и механизмы рекомбинации неравновесных носителей заряда через их уровни. Установлены механизмы влияния комплексов на эффективность ФЛ слоев GaAs, легированных акцепторами.
4. В структурах 5-р-легированного GaAs обнаружено и исследовано рекомбинационное излучение, связанное с туннельной рекомбинацией неравновесных электронов, локализованных вблизи 5-слоя, с дырками в потенциальной яме 8-слоя. Предложена модель механизма излучательной рекомбинации, объясняющая наблюдаемые в эксперименте характеристики ФЛ 5-р-легированного материала.
5. В легированных GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода обнаружена и изучена новая линия ФЛ, связанная с примесями. Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что эта линия связана с донорно-акцепторной рекомбинацией электронов, локализованных на донорах, расположенных в слоях AlAs, и дырок, локализованных на акцепторах в слоях GaAs. Определена энергия связи электронов на донорах в слоях AlAs в сверхрешетках GaAs/AlAs второго рода.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики люминесцентной спектроскопии водородоподобных акцепторов в GaAs и близких соединениях, обеспечивающей улучшение разделения линий в спектрах акцепторной ФЛ по сравнению со стандартными методами измерения, простоту определения природы линий в спектре, позволяющей идентифицировать акцепторы, присутствующие в исследуемом образце в концентрациях, значительно (до 10 раз) меньших по сравнению с доминирующими примесями. Методика основывается на наблюдении эволюции спектров нестационарной ФЛ в микросекундном диапазоне времен и применяется для исследования материала с уровнем легирования Nft, ND 10і см" , полученном в широком диапазоне условий выращивания. Практическую ценность также представляет установление оптимальных условий контроля параметров GaAs/AlGaAs структур для гетеробиполярных транзисторов методом ФЛ.
В результате проведенных в данной работе исследований разработаны технологические приемы ЖФЭ и МЛЭ, позволяющие уменьшать концентрацию ненамеренно вводимых примесей в слоях GaAs и AlGaAs, а также уменьшать концентрацию комплексов в слоях GaAs, легированных германием, цинком, марганцем или бериллием и улучшать рекомбинационные и транспортные параметры материала. В результате применения чистых слоев AlGaAs в структурах для СВЧ транзисторов типа HFET (полевой транзистор на основе гетерост-руктур) и РНЕМТ (псевдоморфныи транзистор с высокоподвижными электронами) были повышены пробивное напряжение затвор-сток до 25В и удельная выходная СВЧ мощность приборов на частоте 18 ГГц до 1 Вт/мм. Использование низкотемпературного буферного слоя с короткопериодной GaAs/AlAs сверхрешеткой повысило выход годных транзисторов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Длительное и неэкспоненциальное затухание нестационарной люминесценции водородоподобных акцепторов в нелегированном и слабо легированном GaAs при гелиевых температурах обусловлено многократко повторяющимися процессами захвата и эмиссии неравновесных электронов ловушками, контролирующими концентрацию неравновесных электронов в зоне проводимости.
Дефекты и комплексы точечных дефектов кристалла, формирующиеся при сильном легировании эпитаксиальных слоев GaAs акцепторами (германием, цинком, бериллием), следующим образом участвуют в процессах рекомбинации неравновесных носителей заряда:
- рассеивают квазиимпульс носителей заряда и увеличивают вероятность межзонной Оже-рекомбинации, а также вероятность непрямой в k-пространстве межзонной излучательной рекомбинациии;
-являются одновременно центрами излучательной и безызлу-чательной рекомбинации неравновесных носителей заряда; при температурах, близких к комнатной, вероятность бе-зызлучательной рекомбинации на этих центрах превышает вероятность излучательной рекомбинации и вероятность выброса носителей заряда в разрешенные зоны.
Легирование слоев GaAs марганцем при ЖФЭ из раствора-расплава на основе висмута приводит к формированию двух типов дефектов, характерных только для данного способа получения материала. Один из дефектов является сильно связанным с решеткой центром излучательной, а другой - центром безыз-лучательной рекомбинации. Использование примесей с глубокими уровнями, такими как марганец, дает возможность изучать процессы ионизации зкситонов и экситон-примесных комплексов встроенным электрическим полем, возникающим вследствие флуктуации в пространственном распределении ионизированных доноров и акцепторов.
В дельта-легированных акцепторами слоях GaAs неравновесные электроны локализуются в потенциальном минимуме, образующемся вблизи 5-слоя благодаря притяжению электронов к неравновесным дыркам, захваченным в потенциальную яму 5-слоя. Излучательная рекомбинация неравновесных носителей заряда в 5-р-слоях GaAs происходит в результате туннелирования неравновесных электронов сквозь потенциальный барьер 5-р-слоя. 5. Легирование AlAs и GaAs слоев сверхрешеток второго рода соответственно донорами и акцепторами приводит к появлению канала межслоевой донорно-акцепторной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Анализ поляризационных характеристик излучения, обусловленного донорно-акцепторной рекомбинацией, позволяет получать информацию о строении гетерограниц сверхрешеток, выращенных на высокоиндексных подложках.
Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается воспроизведением полученных результатов в различных лабораториях России и за рубежом.
Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на 5-ой Всесоюзной школе по физико-химическим основам электронного материаловедения (Иркутск, 1988) ; 7-ой и 8-ой Всесоюзным конференциям по росту кристаллов {Москва, 1988), (Харьков, 1992); 3-м Международном симпозиуме по молекулярно -лучевой эпитаксии (Болгария, 198 9); семинаре по проблеме "Примеси, дефекты и деградационные явления в полупроводниковых материалах и приборах" (Ленинград, 1989); 1-ой Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (Ленинград, 1989); 3 Всесоюзной и 4-ой Международной конференциях по физике и технологии тонких полупроводниковых плёнок (Ивано-Франковск, 1990, 1993); 1 -ом Международном симпозиуме по эпи-таксиальному росту кристаллов (Венгрия, 1990); XX-ой конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (ГДР, 1990); XI1-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990); Российской конференции "Микроэлектроника-9А" (Звенигород, 1994); Международной конференции по методам характеризации полупроводников {США, 1995); 16-й Общей конференции отделения твердого тела Европейского физического общества (Бельгия, 1997); Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997) ; 9-ой Международной конференции по твердым пленкам и поверхности (Дания, 1998); 8, 9 и 10-ой Международной конференциях "Центры с мелкими уровнями в полупроводниках" (Франция, 1998; Япония, 2000; Польша, 2002); 19, 20 и 21-ой Международных конференциях по дефектам в полупроводниках (Португалия, 1997; США, 1999; Герма 18
ния, 2001); IV Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах (Санкт Петербург, 1998); Международной конференции по высоко мощной микроволновой электронике: измерения, идентификация, применения (Новосибирск, 1999); 2-м Российско-украинском семинаре "Нанофизика и нано-электроника" (Украина, 2000); 12-ой Международной конференции по динамике неравновесных носителей заряда в полупроводниках (США, 2001); 1-й и 3-ей Международных конференциях по физике низкоразмерных структур (Черноголовка, 1993, 2001), 1-ой, 2-й, 3-й, 4-ой и 5-ой Российских конференциях по физике полупроводников {Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1995; Москва, 1997, Новосибирск, 1999; Нижний Новгород, 2001), а также обсуждались на семинарах в Институте физики полупроводников СО РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 статей в реферируемых журналах [9-46], а также тезисы докладов в трудах различных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, изложения методических вопросов исследования, трех оригинальных глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 478 страниц, включая 134 рисунка, 12 таблиц и список литературы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена общая характеристика работы, рассматривается актуальность темы, определяется цель работы, новизна полученных результатов, их практическая значимость, формулируются защищаемые научные положения и приводится краткое содержание диссертации.
Первая глава является обзорной и посвящена фотолюминесценции примесей в GaAs и низкоразмерным структурам на его основе.
В ней обсуждаются литературные данные по фотолюминесценции во-дородоподобных акцепторов в слоях GaAs и низкоразмерных структурах на его основе. Приводятся имеющиеся в литературе сведения о механизмах рекомбинации и о иерархии времен затухания нестационарной низкотемпературной люминесценции в нелегированном GaAs, связанной с различными каналами рекомбинации (излучатель 19 ным распадом экситонов и примесными переходами}. Отмечается, что в рамках существующих представлений затухание интенсивности люминесценции зона-акцептор должно происходит по экспоненциальному закону за времена порядка 1-10 мкс в зависимости от концентрации примеси в слоях. Анализируются описанные в литературе методики контроля фоновых примесей в GaAs, их преимущества и недостатки.
Рассматриваются изменения спектра ФЛ и рекомбинационных параметров материала, происходящие при легировании полупроводника водородоподобными примесями. Представлены данные о механизмах взаимодействия атомов примеси друг с другом и собственными точечными дефектами кристалла, приводящие к образованию комплексов, а при большем уровне легирования - выделений второй фазы и преципитатов. Приводятся имеющиеся данные о ФЛ комплексов в GaAs, легированном донорами или акцепторами. Отмечается, что в литературе практически отсутствуют данные о ФЛ комплексов атомов примеси и собственных точечных дефектов кристалла в эпитаксиальном легированном акцепторами GaAs и о влиянии комплексов на рекомбинационные параметры материала, а основное внимание уделено изучению изменений формы краевой полосы ФЛ и времени жизни неравновесных носителей заряда при легировании GaAs акцепторами. Предполагается, что отсутствие ФЛ комплексов связано с малой концентрацией собственных точечных дефектов кристалла в эпитаксиальных слоях, которые выращиваются при сравнительно низких температурах. Рассматриваются способы расчета концентрации собственных точечных дефектов кристалла и комплексов, и выясняется, что информация о составе комплексов, их зарядовом состоянии и энергии образования, необходимая для расчёта концентрации комплексов, весьма противоречива, и говорить о количественной предсказательной возможности имеющихся в литературе расчётов концентрации точечных дефектов и комплексов в GaAs преждевременно . Поэтому в настоящее время актуальным является их экспериментальное определение. Рассмотрены возможные механизмы, приводящие к изменению концентрации точечных дефектов кристалла при легировании.
В главе приводятся данные по исследованию излучательной рекомбинации носителей заряда в S-легированных донорами GaAs структурах. Показано,, что основной причиной отсутствия ФЛ, связанной с переходами дырок на уровни размерного квантования электронов в n-5-слоях, является отталкивание фотодырок от 8-слоя. Переходы электронов на уровнях размерного квантования удается обнаружить, блокировав дрейф неравновесных дырок от 5-слоя при помещении 5-легированного GaAs между широкозонными обкладками AlGaAs, или при создании периодической последовательности n-5-слоев, или nini-сверхрешеток. Отмечается, что на момент начала диссертационной работы отсутствовали данные о люминесценции структур, 5-легированных акцепторами. Здесь же описываются способы создания 8-образного профиля концентрации легирующей примеси и приводятся расчетные и экспериментальные данные об энергетическом спектре структур с дельта слоями легирующей примеси. В главе обсуждается также ФЛ примесей в квантовораз-мерных структурах, главным образом в GaAs/AlGaAs квантовых ямах. Приведена зависимость энергии водородоподобного акцептора, расположенного в центре GaAs/AlAs квантовой ямы, от ее толщины, необходимая для дальнейшего анализа ФЛ легированных GaAs/AlAs сверхрешеток. Обсуждаются электронные свойства примесей в GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода, специальное внимание уделено донорам, расположенным с слоях непрямозонного AlAs. Рассматриваются сведения о ФЛ сверхрешеток второго рода и резюмируется, что рекомбинационное излучение, связанное с переходами через уровни примесей в таких структурах не изучалось.
Во второй главе рассмотрены методические вопроса исследования. Описаны условия получения эпитаксиальных слоев GaAs, образцов 8-легированных структур и GaAs/AlAs сверхрешеток, исследованных в данной работе. Здесь же описаны экспериментальные установки, использованные для регистрации спектров стационарной и нестационарной ФЛ, а также методики обработки спектров ФЛ и получения из них информации о концентрации центров рекомбинации.
Е третьей главе приведены результаты исследования фотолюминесценции нелегированных слоев GaAs и AlGaAs.
В части 3.1 сообщается об экспериментальном обнаружении длительного (миллисекундного) затухания низкотемпературной нестационарной ФЛ водородоподобных акцепторов в нелегированном и слабо легированном GaAs. Обнаружено, что в отличие от распространенной точки зрения, согласно которой ФЛ зона проводимости - акцептор экспоненциально затухает в течение нескольких единиц-десятков микросекунд после выключения возбуждения, ФЛ зона проводимости - акцептор наблюдается на протяжении нескольких миллисекунд и затухает по существенно не экспоненциальному закону, близкому к степенному I(t) 1/t", где показатель степени а=0,3-1,5 для переходов зона-акцептор и а=0,7-1,0 для переходов донор-акцептор. Показано, что закон длительного затухания не зависит от типа проводимости и концентрации водородоподобных примесей в материале в диапазоне ND, KU Ю16 см-3, а также способа его выращивания и концентрации ловушек и глубоких центров рекомбинации.
Представлена математическая модель процесса рекомбинации, объясняющая наблюдаемый степенной закон затухания ФЛ свободных электронов многократным (сотни раз) захватом и выбросом неравновесных электронов на ловушки и выбросом их назад в разрешенную зону спустя некоторое время после захвата. Эти процессы контролируют концентрацию свободных электронов в зоне проводимости . При определенных соотношениях на вероятности захвата, выброса и рекомбинации эта модель предсказывает появление длительных «хвостов» кривых затухания ФЛ. В качестве таких ловушек для электронов в GaAs выступают мелкие доноры, обеспечивающих миллисекундные времена эмиссии, в то время как остальные известные центры захвата этому условию не удовлетворяют. Из кривой затухания оценена доля неравновесных электронов, побывавших на ловушках до рекомбинации через уровни водородоподобных акцепторов, она превышает 75% от всего числа неравновесных электронов, рекомбинирующих через акцепторы.
Для экспериментальной проверки предложенной модели было проведено исследование этого эффекта в условиях, обеспечивающих возможность модификации соотношения вероятностей захвата и эмиссии электронов ловушками. С этой целью было выполнено исследование кинетики краевой ФЛ при повышенных температурах и при приложении электрического поля, создаваемого поверхностной акустической волной, являющейся удобным средством для ионизации экситонов и водородоподобных доноров в GaAs. Показано, что повышение температуры свыше 10-12 К приводит к ускорению затухания, проявляющемуся в постепенном перемещении перегиба в кинетике ФЛ, наблюдаемого при 4,2 К при 150-200 мксек, а при температуре свыше 25-30 К эффект длительного затухания исчезает. При импульсном приложении электрического поля с напряженностью свыше 10 В/см, ионизирующем доноры, в кинетике ФЛ наблюдается возрастание интенсивности переходов зона проводимости - акцептор в течение импульса поля. При повышении напряженности поля возрастание интенсивности ФЛ ускоряется. После выключения поля происходит медленное (в течение десятков микросекунд) затухание ФЛ. Возрастание интенсивности ФЛ зона-акцептор при приложении импульса поля свидетельствует об увеличении концентрации электронов в зоне проводимости за счет частичной ионизации ловушек, захватывающих электроны. К ионизации ловушек приводит повышение вероятности эмиссии электронов в зону проводимости под действием электрического поля. Такое изменение кривых затухания переходов зона-акцептор при повышении температуры и приложении электрического поля соответствует предложенной модели механизма рекомбинации.
Предложена новая методика спектроскопии водородоподобных акцепторов в GaAs и близких соединениях, обеспечивающая значительное улучшение разделения линий в спектре ФЛ по сравнению со стандартными способами измерения и простоту определения природы линий и позволяющая наблюдать примеси, присутствующие в количествах, меньших (до 10 раз) по сравнению с доминирующими примесями. Применение этой методики позволило нам обнаружить в области переходов зона-акцептор в спектре ФЛ нелегированного GaAs новую линию, существенно смещающуюся в длинноволновую сторону со временем после импульса возбуждения (до 15-18 мэВ за 50-100 мксек) , характеристики которой свидетельствуют о возможности образования в нелегированном GaAs локальных областей малого объема, имеющих высокий уровень легирования и протяженные хвосты плотности состояний.
Поскольку электронные свойства легированного материала могут зависеть от примесей и дефектов, не связанных с легированием, то предварительно был изучен состав фоновых примесей и дефектов в нелегированном GaAs. В частях 3.2 и 3.3 представлены данные по зависимости концентрации фоновых примесей в нелегированном GaAs, полученном методами ЖФЭ и Ш1Э, от условий эпитаксии.
В результате проведенной идентификации водородоподобных фоновых примесей в слоях GaAs, полученных методом ЖФЭ из растворов-расплавов на основе галлия или висмута, установлено, что в слоях GaAs, полученных из раствора-расплава галлия, основными примесями являются SGd (донор) и СД8, Si-As (акцепторы) . Их поведение определяет изменение электрических свойств материала при изменении условий роста слоев: уменьшение концентрации электронов в слоях n-GaAs и увеличение коэффициента компенсации с увеличением времени отжига расплава и температуры роста (вплоть до инверсии типа проводимости). Основной остаточной примесью, определяющей электрические свойства GaAs, полученного из раствора-расплава на основе висмута при высоких температурах, является Si, который встраивается преимущественно в галлиевую подре-шетку. При понижении температуры роста слоев концентрация атомов Si в слоях уменьшается из-за уменьшения его растворимости в жидком висмуте. Показано, что обсуждавшийся в литературе «эффект очистки GaAs висмутом» - уменьшение концентрации фоновых примесей в GaAs при замене раствора-расплава галлия на висмут -при ЖФЭ имеет место только при низких температурах роста. Этот эффект обусловлен различной природой основных примесей в исходном галлии (сера, углерод) и висмуте (кремний), а также уменьшением растворимости кремния в висмуте при уменьшении температуры роста слоев. При низких температурах роста основными остаточными примесями в GaAs становятся SnGd или SeAa (доноры) и ZnGa и MgGa/BeGa (акцепторы), Показана возможность получения слоев п-GaAs с очень малой концентрацией примеси (п=2,4-10 см- , 77=1,57 10D см2/(Вхсек), ширина (D°,X) линии равна 0,28 мэВ) с использованием предростового отжига раствора-расплава висмута, в результате которого уменьшается концентрация летучих примесей элементов II группы Периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева. Установлено, что введение редкоземельных элементов иттербия или гадолиния в раствор-расплав висмута приводит к уменьшению концентрации доноров - SGa и Seas, незначительному уменьшению концентрации основного акцептора - ZnGa в слоях GaAs, полученных при низких температурах роста. Уменьшение концентрации фоновых доноров в GaAs при добавлении редкоземельных элементов (иттербия и гадолиния) в висмут связано с образованием в жидкой фазе соединений редкоземельных элементов с донорны-ми примесями, элементами VI группы таблицы Д.И.Менделеева, которые практически не встраиваются в слои. Показано, что иттербий более сильно уменьшает концентрацию атомов SGa и SeAa в слоях GaAs, чем гадолиний. Продемонстрирована возможность получения слоев p-GaAs с очень малой концентрацией примеси (р=6,0-1013 см"3, ширина (А°,X) линии - 0,24 мэВ) из раствора-расплава на основе висмута, легированного иттербием.
Приведены результаты исследований фоновых примесей в слоях GaAs, полученных методом МЛЭ с использованием молекул АБЛ И молекул As2. Установлено, что повышение температуры зоны крекинга источника мышьяка до 900-950°С, соответствующей максимальной эффективности разложения молекул As на молекулы As2, приводит к изменению концентрации водородоподобных фоновых примесей в слоях GaAs: уменьшению примерно в 10 раз концентрации водородоподобных акцепторов Сдз, 2nGi и уменьшению примерно в 3 раза концентрации MgGaf а также повышению концентрации водородоподобных доноров Sfts и 5еаз. Примесь цинка, присутствующая в малых количествах и нетипичная для слоев GaAs, выращенных методом МЛЭ, обнаружена и идентифицирована с помощью нестационарной ФЛ. Изменение концентрации фоновых примесей при повышении доли As2 в полном потоке мышьяка связано с разложением соединений примесь-мышьяк в зоне крекинга источника мышьяка, и тем, что исходные соединения примеси с мышьяком и их компоненты встраиваются в GaAs различным образом. Концентрация углерода в слоях GaAs изменяется из-за его взаимодействия с элементами конструкции в высокотемпературной зоне крекинга мышьяка. Анализ состава примесей в слоях GaAs, выращенных методом МЛЭ из исходных материалов различных производителей, показал, что основным источником водородоподобных примесей С, Zn, Mg, S и Se в слоях GaAs является мышьяк.
Показано, что с понижением температуры роста (Тд) слоев GaAs при МЛЭ в диапазоне 4 8 0 Тд 64 О °С происходит уменьшение концентрации дырок вплоть до полного обеднения слоев за счет увеличения концентрации глубоких доноров, происхождение которых не установлено. При Тд 4 80°С происходит изменение типа проводимости слоев от р- к n-типу из-за увеличения концентрации водородоподобных доноров - SiGa. Слои, полученные при Тд 4 8 0°С, являются полуизолирующими, а концентрация водородоподобных и глубоких донорных центров в них не изменяется с уменьшением Тд и равна (2-4) •1015 см-3. Постоянство концентрации глубоких доноров достигается при поддержании на поверхности роста сверхструктуры (3x6), при которой концентрации атомов Ga и As на поверхности примерно одинаковы и не накапливается избыточный мышьяк, вызывающий формирование большой концентрации точечных дефектов. Такие слои используются в качестве буферных слоев в приборных структурах для СВЧ транзисторов.
Приведены экспериментальные свидетельства того, что в спектрах низкотемпературной ФЛ высококачественных слоев AlzGai_xAs твердых растворов, полученных методом МЛЭ, доминирует линия свободных экситонов, а концентрация водородоподобных и глубоких фоновых примесей очень мала. Вследствие очень низкой концентрации фоновых примесей в исследованных слоях ширина линии экситонов является одной из наименьших, представленных в литературе для слоев AlxGai_xAs, и не превышает значений, рассчитанных для твердых растворов со случайным расположением атомов галлия и алюминия в катионной подрешетке кристалла. Такие слои используются в структурах, применяемых для изготовления мощных СВЧ транзисторов типа HFET и РНЕМТ и позволяют повысить пробивные напряжения затвор-сток до 25 В и удельную выходную мощность СВЧ транзисторов на частоте 18 ГГц до 1 Вт/мм.
В четвёртой главе приведены результаты исследований фотолюминесценции комплексов в слоях GaAs, легированных различными акцепторами (германием, цинком, бериллием или марганцем) .
Установлено два механизма влияния дефектно-примесных комплексов на эффективность ФЛ сильно легированного GaAs:Ge, а именно, два механизма увеличения вероятности безызлучательной рекомбинации, приводящей к уменьшению интенсивности ФЛ при сильном легировании GaAs акцепторами: (1) комплексы увеличивают вероятность межзонной Оже-рекомбинации, рассеивая квазиимпульс дырок; (2} неравновесные носители заряда рекомбинируют безызлуча тел ь но через уровни комплексов. Поскольку время жизни носителей заряда, определяемое Оже-процессом, пропорционально квадрату концентрации свободных носителей заряда, а время безызлуча-тельной рекомбинации через уровни комплексов пропорционально концентрации комплексов, то для установления роли этих двух механизмов безызлучательной рекомбинации была измерена интенсивность ФЛ в слоях с одинаковой концентрацией дырок, но различной концентрацией комплексов. Для изменения концентрации комплексов варьировалась температура роста слоев (Tg) . Было обнаружено, что комплексы уменьшают подвижность дырок. Рассеяние квазиимпульса носителей заряда комплексами приводит к понижению пороговой энергии и повышению вероятность Оже-рекомбинации. Используя известные из литературы зависимости вероятности Оже 27 рекомбинации от концентрации рассеивающих центров в p-GaAs, была рассчитана зависимость внутреннего квантового выхода ті(р) = %ке/ (їоже+ і) от концентрации дырок в слоях с различной концентрацией комплексов, Излучательное время жизни ТІ В p-GaAs бралось из литературных источников. Наблюдалось хорошее совпадение экспериментальных и расчетных зависимостей. Отличия заключаются в следующем: экспериментальные значения начинают уменьшаться при р=3 • 10 см" , а расчётные - при р=8 • 10 см ; расчётная зависимость более резкая, относящиеся к различным Тд кривые для расчётных зависимостей отличаются друг от друга меньше, чем экспериментальные. Эти различия объясняются безызлучательнои рекомбинацией через уровень комплекса, ответственного за полосу ФЛ с энергией максимума Йсо=1,32 эВ.
Для выяснения механизма рекомбинации через уровень комплекса была изучена его ФЛ при различных температурах. Из сравнения экспериментальных и расчетных зависимостей были получены значения энергии активации безызлучательнои рекомбинации через центр Еа=69 мэВ и энергии выброса носителей в зону проводимости Еь=19 мэВ. А также значения константы А=2360+10%, равной отношению вероятностей безызлучательного и излучательного переходов на центре, и константы В=21+10%, равной отношению вероятности выброса носителей с уровня центра в разрешенную зону и вероятности излучательного перехода на центре. Из сравнения величин этих констант видно, что при температурах, близких к комнатной, неравновесные носители заряда, захваченные центром, рекомбини-руют в основном безызлучательно.
Установлена зависимость концентрации комплексов от концентрации акцепторов в слоях и условий роста слоев (температуры роста слоев, состава Gai-X-Bix раствора-расплава и концентрации в слоях изовалентных примесей индия и сурьмы). Показано, что концентрация комплексов дефектов кристалла степенным образом зависит от концентрации акцепторов - N -b-N/, причём показатель степени определяется температурой роста и равен у = 2 при Тд=700°С, 2,7 при Тд=800°С и 3 при Тд=900°С. Концентрация комплексов возрастает также с увеличением температуры эпитаксии, что объясняется увеличением концентрации собственных точечных дефектов кристалла, входящих в состав комплекса. Установлено, что комплексы термически стабильны, их концентрация не изменяется при отжиге слоев при Т=900°С. Полученные зависимости концентрация комплексов от концентрации акцепторов могут быть объяснены в предположении, что состав комплексов входят (Ge&sGeGaVAE) и (GebsGeGaASj,/AsGa) г при этом при низкой температуре роста (Тд=700°С) концентрация собственных точечных дефектов кристалла зависит от концентрации акцепторов: увеличивается концентрация дефектов кристалла, имеющих заряд противоположного знака, и уменьшается концентрация дефектов кристалла с зарядом того же знака, что и примесь. При высокой температуре роста (Тд=900°С) концентрация собственных точечных дефектов велика и превышает концентрацию легирующей примеси, то в этом случае условие электронейтральности при температуре роста определяется только собственными точечными дефектами и их концентрация не зависит от концентрации легирующей примеси. Зависимости концентрации комплексов от состава Gai-xBix раствора-расплава и концентрации изовалентной примеси (индия и сурьмы) в слоях, выращенных из раствора-расплава галлия, подтверждают предложенный состав комплексов. Обнаружено, что концентрация комплексов, ответственных за полосу Йоэ=1,32 эВ, уменьшается, а эффективность ФЛ увеличивается при снижении температуры роста слоев и дополнительном легировании слоев изовалентной примесью сурьмой.
Показано, что при повышенных температурах неравновесные носители заряда, захваченные на этот центр, рекомбинируют в основном безызлучателько. В результате, из-за того, что концентрация центров больше в слоях, выращенных из галлия, чем в слоях, выращенных из висмута, эффект примесного тушения комнатной люминесценции в первых проявляется сильнее.
Из анализа люминесцентных данных получено также, что концентрация центра, ответственного за полосу с ftfflc=l, 35 эВ, степенным образом (с показателем степени 5,4 ± 0,1) увеличивается при увеличении концентрации атомов цинка в слоях и не зависит от температуры роста слоев. Данные холловских измерений образцов с одинаковой концентрацией дырок, но примерно в сто раз различной концентрацией комплексов показали, что центр не оказывает влияния на подвижность дырок, то есть он электрически нейтрален. Из данных вторичной ионной масс-спектрометрии следует, что весь цинк в слоях является электрически активным, то есть не входит в состав обнаруженных центров. На основании этих экспериментальных данных предложена модель, описывающая формирование этого комплекса только из собственных точечных дефектов кристалла - (Gaft32VA3)х. Концентрация собственных точечных дефектов кристалла, входящих в состав комплекса, увеличивается при легировании GaAs цинком по двум причинам. 1. Вследствие компенсации части энергетических затрат на образование точечного дефекта кристаллаза счет энергии, выделяемой при захвате свободного носителя заряда, поставляемого примесью, на уровень дефекта . 2. Атомы цинка, находящиеся в междоузлиях, встраиваются на место атомов Ga, выдавливая последние в междоузлия, по хорошо известной из теории диффузии Zn в GaAs реакции GaGax -I- Znj+1 - Gax+2 + Zn 1.
В части 4.3 приведены данные по исследованию фотолюминесценции легированного марганцем GaAs, выращенного методом ЖФЭ из раствора-расплава на основе висмута. Эти слои применяются в фотоприемниках дальнего ИК диапазона, в которых излучение с А, 10 мкм поглощается в результате оптических переходов электро зо
нов из валентной зоны на уровень марганца, имеющего энергию связи 110 мэВ, Поэтому важно получать сильно легированные марганцем мало компенсированные слои GaAs.
В спектрах ФЛ слоев GaAs:Мп обнаружена новая полоса ФЛ, которая перекрывается с полосой ФЛ с Йо Мп=1,41 эВ, связанной с марганцем. Измеренное значение энергии термического тушения новой полосы ФЛ оказалось неожиданно мало (41+2 мэВ). Тем не менее, несмотря на то, энергия связи дырок на центре, ответственном за эту полосу, более чем в два раза меньше энергии связи дырки на акцепторе MnGa; при повышении температуры обнаруженная Ф полоса гаснет при более высоких температурах, чем полоса (e,Mn). Это свидетельствует о том, что отношение коэффициентов захвата электронов и дырок для этого центра существенно превышает подобное отношение для центра MnGa
В рамках модели конфигурационных диаграмм предложена возможная энергетическая диаграмма центра, объясняющая значительное отличие энергий связи носителей заряда на исследуемом центре {41±2 мэВ) и на уровне марганца (110 мэВ} при близких зна-чениях энергии максимумов относящихся к ним полос ФЛ.
Из численного анализа зависимостей интегральной интенсивности ФЛ слоев при 4,2 К и 300 К от концентрации марганца в жидкой фазе в рамках модели Шокли-Рида-Холла была определена зависимость концентрации центров безызлучательной рекомбинации в слоях GaAs:Мп от уровня легирования, Выло показано, что концентрация этих центров возрастает квадратично с концентрацией мар- • ганца. Из анализа холловских данных следует, что по такому же квадратичному закону, быстрее концентрации акцептора замещения MnGa, возрастает концентрация компенсирующих доноров Обнаруженная корреляция свидетельствует о том, что центры безызлучательной рекомбинации являются донорами, ограничивающими максимально достижимый уровень легирования слоев GaAs:Мп, выращенных из висмута.
Центры излучательной и безызлучательной рекомбинации, обнаруженные в данной работе, являются специфичными для GaAs:Мп, выращенного из висмута, и не наблюдались ранее в GaAs:Mn, полученном другими методами. Возможной причиной появления этих центров является предварительная ассоциация атомов марганца и мышьяка в жидкой фазе, образующих тугоплавкие соединения Mn2As или Mn3Asz. Затем молекулы Mn2As или Mn3As2 встраиваются в кристаллизующийся слой, что приводит к генерации точечных дефектов кристалла или примесно-дефектных комплексов. При выращивании GaAs:Мп из висмута вероятность предварительной ассоциации атомов Мп и As значительно выше, чем при выращивании из галлия, который связывает мышьяк в жидкой фазе и препятствует формированию соединений мышьяка с марганцем. Эта гипотеза хорошо объясняет полученные экспериментальные данные,
В этой части главы приведены также результаты исследования экситонной ФЛ в сильно легированных марганцем слоях GaAs. Установлено, что полное тушение ФЛ экситонов в слоях GaAs, сильно легированных марганцем, происходит только при концентрации марганца в слоях, превышающей 1 =5-1020 см-3. При NMn 2-1019 см"3 в экситонной области спектра доминирует линия свободных экситонов, а тушение линий связанных экситонов при увеличении концентрации марганца происходит в результате ионизации экситон-примесных комплексов встроенным электрическим полем, возникающим вследствие крупно масштабных флуктуации в пространственном распределении ионизированных доноров и акцепторов. Расчет напряженности электрического поля и характерного размера флуктуации, выполненный в рамках модели Шкловского-Эфроса, подтверждает эту гипотезу.
В части 4.4 данной главы представлены результаты исследования фотолюминесценции сильно легированных бериллием слоев GaAs, выращенных методом МПЗ. В этих слоях обнаружены неизвестные ранее полосы ФЛ с энергией максимума йюкакс=1, 36 эВ и 1,22 эВ, связанные с комплексами легирующей примеси и собственных точечных дефектов кристалла. Установлено, что ФЛ этих комплексов подавляется при выращивании слоев в условиях, обеспечивающих на поверхности роста сверхструктуру (Зхб), при которой концентрации атомов Ga и As на поверхности растущего слоя примерно одинаковы, и в результате слое уменьшается концентрация собственных точечных дефектов кристалла. В спектрах ФЛ слоев, выращенных в оптимальных условиях, полосы ФЛ комплексов не наблюдаются даже при очень высоком уровне легирования, при р=4-1020 см-3.
Найдено, что в выращенных в этих оптимальных условиях слоях GaAs полная концентрация атомов бериллия, определенная методом вторичной ионной масс-спектрометрии, превышает величину электрически активных атомов бериллия, оцененную из холловских измерений. Электрически неактивные атомы бериллия могут занимать междоузельные положения или собираться в виде включений. Для выявления этих дефектов был проведен отжиг образцов при 8 70 К при высоком гидростатическом давлении (до 12 кбар), который увеличивает напряжение между преципитатами и матрицей и стимулирует введение дислокационных петель и других дефектов кристалла из-за различия коэффициентов сжимаемости и термического расширения исходного материала и включений, содержащих бериллий .
Усиление ФЛ, связанной с непрямыми в к-пространстве переходами, и «синий» сдвиг максимума краевой полосы ФЛ вследствие уменьшения эффекта концентрационного сужения ширины запрещенной зоны после отжига образцов под давлением (рис.5) свидетельствуют о формировании высокой концентрации дефектов кристалла, сравнимой с концентрацией атомов бериллия. Этот вывод подтверждается также: {1) шестикратным уменьшением интенсивности ФЛ после отжига при высоком давлении, (2) данными холловских измерений, показывающими примерно двукратное уменьшение концентрации дырок после отжига образцов при высоком давлении, и {3) данными исследований кристаллической структуры слоев GaAs: Be, проведенных методом дифракции рентгеновских лучей. Таким образом, дефекты, связанные с включениями бериллия, действуют как центры безызлучательной рекомбинации и увеличивают вероятность излучательных переходов электронов, расположенных вблизи края зоны проводимости, с дырками на уровне Ферми в валентной зоне, происходящими без сохранения квазиимпульса.
Проведенные исследования ФЛ слоев GaAs и AlGaAs позволили выработать критерии и определить оптимальные условия контроля параметров отдельных слоев в AlGaAs/GaAs структурах для гетеро-биполярных транзисторов. Измерения спектроскопических параметров полос ФЛ, относящихся к различным слоям структуры гетероби полярного транзистора, позволяют оценивать концентрацию свободных носителей заряда в слое базы и контактном слое, состав твердого раствора в слое эмиттера, а линии ФЛ с энергиями максимума, меньшими ширины запрещенной зоны слоев, дают информацию о фоновых примесях и дефектах в слоях структуры. В работе установлено, что использование излучения He-Ne-лазера с достаточно малым коэффициентом поглощения, возбуждающего ФЛ всех слоев гетеро структуры, позволяет также оценивать толщину области обеднения в слое коллектора. Для одновременного контроля уровня легирования контактного слоя и слоя базы, а также состава твердого раствора в слое эмиттера необходимо измерять спектры ФЛ при повышенных температурах {Т 60 К). Измерение спектров ФЛ при гелиевых температурах позволяет определять химический состав водород оподобных акцепторов в слоях эмиттера и коллектора. В структурах, слой базы которых содержит две области с различным уровнем легирования, анализ зависимости энергетического положения линии ФЛ этого слоя от интенсивности возбуждения позволяет оценивать уровень легирования обеих областей.
Пятая глава посвящена исследованиям фотолюминесценции примесей, в низкоразмерных структурах,
В части 5.1 представлены результаты изучения рекомбинацион-ных. свойств S-p-легированного GaAs. Сообщается об экспериментальном обнаружении излучательной рекомбинации неравновесных электронов с дырками, локализованными в потенциальной яме 5-слоя. В спектрах ФЛ структур 5-р-легированного GaAs обнаружены интенсивные полосы в диапазоне энергий Йю=1г38-1,49 зВ, интенсивность и ширина которых зависит от концентрации дырок в 5-слое. В нелегированных и однородно легированных акцепторами слоях GaAs такие полосы отсутствовали.
Набор этих полос ФЛ имеет большую энергетическую ширину, которая увеличивается с уровнем легирования. При повышении уровня легирования увеличивается энергия Ферми EF для дырок, отсчитанная от положения низшего уровня в дырочной яме Ei, и
увеличивается энергетическая ширина AE=EF-EJ. набора дырочных состояний, участвующих в рекомбинации. Оценка глубины залегания уровней, дает значения величины ДЕ=61,7, 115 и 213 мэВ для уровней легирования 1,5-1013, 3-Ю13 и 6-Ю13 см"2, соответственно, что близко к экспериментально наблюдаемым значениям ширины полос ФЛ.
Это наблюдение свидетельствует о том, что эти полосы обусловлены переходами с участием дырок, расположенных на уровнях размерного квантования в потенциальной яме 5-слоя. Для проверки существования связи ширины наблюдаемых полос с величиной ДЕ было проведено искусственное увеличение, ширины легированного слоя термическим отжигом. Полученные закономерности подтвердили, что наблюдаемые новые полосы ФЛ обусловлены рекомбинацией дырок, находящихся в потенциальной яме 5-слоя и позволили оценить верхнее значение размытия 5-слоя в 5 нм.
Для выяснения состояния, в котором находятся электроны, участвующие в рекомбинации, были исследованы зависимости ФЛ 5-р-легированного GaAs от концентрации носителей в дырочном газе, степени искусственного уширения 5-слоя, температуры образца и интенсивности возбуждения, изучена кинетика и поляризация ФЛ.
При увеличении интенсивности возбуждения наблюдался сдвиг полос ФЛ з коротковолновую сторону с одновременным увеличением относительной интенсивности люминесценции длинноволновых полос набора. Зависимость положения Йомакс коротковолновой полосы от интенсивности возбуждения Івозб в исследованном диапазоне интен-сивностей зависимость оказывается близкой к логарифмической. Наблюдаемый сдвиг полосы 5-слоя свидетельствует о пространственном разделении рекомбинирующих носителей заряда и обусловлен изменением плотности пространственного заряда и возникновением разности потенциалов между дырками в потенциальной яме 8-слоя и областью расположения неравновесных электронов.
При повышении температуры измерений до 60-7 0 К интенсивность полосы ФЛ 5-слоя уменьшается. Температурное тушение этой полосы обусловлено перераспределением носителей между рассматриваемым каналом излучательных переходов в 5-слое и рекомбинацией в объеме структуры, а не изменением с температурой эффективности излучательной рекомбинации материала. Этот вывод подтверждается нарастанием при повышении температуры относительной интенсивности линии ФЛ зона-акцептор GaAs, наблюдаемым, несмотря на то, что эта линия сама подвергается термотушению в этом же диапазоне температур из-за перераспределения дырок между мелкими акцепторами и валентной зоной. Энергия активации термического тушения полосы ФЛ структур с одиночным б-слоем составляет 20-34 мэВ и связана с делокализацией электронов.
Для экспериментального подтверждения вывода о термоэмиссии электронов в объем было использовано дополнительное пространственное ограничение носителей, блокирующего эмиссию носителей в объем структуры потенциалами близко расположенных 5-р-слоев (5 рірі-сверхрешетки). Падение интенсивности ФЛ сверхрешетки 5-р-слоев при росте температуры значительно ниже, чем структур с одиночным 6-слоем, и ФЛ 5-легированной сверхрешетки наблюдается при температурах вплоть до комнатной. Отметим, что локализация неравновесных дырок потенциалами близко расположенных 5-п-слоев (5-піпі-сверхрешетки) позволила нам обнаружить излучательную рекомбинацию дырок с электронами, локализованными в потенциальной яме 8-п-слоя.
Затухание ФЛ б-слоя следует неэкспоненциальному закону с темпом, уменьшающимся с течением времени. Закон затухания не зависит от уровня легирования 5-слоя, что указывает на то, что он определяется параметрами системы неравновесных носителей заряда, создаваемых при фотовозбуждении, а не параметрами собственно б-легированного слоя. При повышении температуры образца свыше 15-20 К, т.е. при переходе в температурный диапазон, в котором происходит гашение ФЛ б-слоя, наблюдается ускорение затухания ФЛ в «хвостах» кривых, при этом закон затухания сохраняет вид, близкий к степенному. Длительное затухание ФЛ в течение десятков микросекунд обусловлено низкой скоростью поставки электронов к области рекомбинации с дырками, находящимися в потенциальной яме 5-слоя, и не лимитируется вероятностью элементарных переходов в 5-легированной системе.
Установлено также, что циркулярная поляризация легированного GaAs при возбуждении образца циркулярно-поляризованным светом, приводящим к ориентации спина фотогене-рируемых носителей, отсутствует, что свидетельствует о длительном времени рекомбинации носителей заряда по сравнению с временем спиновой релаксации электронов.
Описанные характеристики люминесценции 6-р-легированного GaAs: зависимости ФЛ 5-слоя от уровня легирования, интенсивности возбуждения и температуры, а также время затухания ФЛ, многократно превышающее время рекомбинации в сильно легированном GaAs, находят свое объяснение в качественной модели, в соответствие с которой неравновесные электроны локализуются вблизи 5-слоя благодаря притяжению к неравновесным дыркам, захватываемым в потенциальную яму 5-слоя. Энергия локализации неравновесных электронов составляет 20-34 мэВ Излучательная рекомбинация неравновесных носителей заряда в 5-р-слоях GaAs происходит в результате туннелирования неравновесных электронов сквозь потенциальный барьер S-p-слоя, а ширина линий ФЛ 5-р-слоя определяется энергией Ферми дырок в 5-слое. Сдвиг линий ФЛ 5-слоя при изменении условий эксперимента (температуры, мощности стационарного возбуждения и увеличением времени задержки после импульса возбуждения) обусловлен изменением плотности пространственного заряда и возникновением разности потенциалов между дырками в потенциальной яме 8-слоя и областью расположения неравновесных электронов. Количественные расчеты энергетической диаграммы и спектров люминесценции 5-p-GaAs структур, подтвердившие нашу интерпретацию, были проведены позднее в работе [118],
В части 5.2 этой главы излагаются результаты исследования фотолюминесценции легированных GaAs/AlAs сверхрешеток второго рода. В спектрах нелегированных сверхрешеток регистрируется только линия экситонов, состоящих из электронов, локализованных в Xz долине AlAs, и дырки из Г долины GaAs.
В спектрах ФЛ легированных сверхрешеток обнаружена полоса ФЛ, интенсивность которой возрастает при одновременном увеличении концентрации доноров в слоях AlAs и акцепторов в слоях GaAs. При легировании только донорами или только акцепторами эта полоса не появляется. При слоевой концентрации примеси Nji=MD«:l • 1011 см"2 темп рекомбинации неравновесных носителей заряда через уровни примеси сравнивается с темпом рекомбинации Xz экситонов.
Для идентификации этой полосы были проведены измерения стационарной ФЛ при различной температуре и мощности возбуждения, а также нестационарной ФЛ. Было показано, что наблюдаемая в спектрах GaAs/AlAs сверхрешеток второго рода полоса имеет все признаки донорно-акцепторной рекомбинации: полоса сдвигается в область низких энергий при повышении температуры измерений, понижении интенсивности возбуждающего света и с увеличением времени задержки после импульса возбуждения. Это дает основания для вывода, что обнаруженная полоса ФЛ обусловлена оптическими переходами между энергетическими уровнями доноров, расположенных в слоях AlAs и уровнями акцепторов, расположенных в слоях GaAs.
Из аппроксимации экспериментальной зависимости энергии максимума полосы ФЛ от мощности возбуждения расчетной зависимостью определена суммарная энергия связи носителей заряда на донорах и акцепторах в паре и оценена энергия связи электронов на донорах (кремний) в слоях AlAs, составившая 115+10 мэВ. Полученное значение превышает энергию связи электронов на кремнии в объемном AlAs. Отличие, вероятно, связано с влиянием квантующего потенциала сверхрешетки на энергию носителей заряда, локализованных на донорах.
В сверхрешетках, выращенных на подложках (311}A GaAs, при регистрации ФЛ, распространяющейся в направлении нормальном к плоскости слоев была обнаружена сильная спектрально-зависимая линейная поляризация полосы донорно-акцепторной рекомбинации вдоль направления [ 233]. Вдоль этого направления ориентированы одномерные фасетки (квантовые проволоки), формирующиеся на гетеро границе сверхрешеток. Максимальное значение степени поляризации 20% достигается на высокоэнергетичном крыле полосы и уменьшается до 5% с уменьшением энергии фотона. В этих же условиях измерения ФЛ образцов, выращенных на подложках (100) GaAs, не поляризована. Высокая степень линейной поляризации рекомби национного излучения обусловлена латеральным потенциалом квантовых проволок, который модифицирует волновую функцию носителей заряда, при этом более значительно изменяется волновая функция носителей заряда, локализованных на донорно-акцепторных парах, расположенных вблизи гетерограниц. Именно эти донорно-акцепторные пары определяют излучение на высокоэнергетичном крыле полосы ФЛ. Низкая, но не нулевая степень поляризации на низкоэнергетичном крыле полосы ФЛ обусловлена пониженной симметрией энергетической структуры (311)А-ориентированных структур.
В заключении формулируются основные результаты и выводы настоящей работы, оговорен личный вклад автора.
