Введение к работе
Актуальность_.темы.
Необходимость получения особо чистых полупроводниковых материалов важна как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. В настоящее время одними из наиболее чистых полупроводниковых материалов являются германий и GaAs, нашедшими широкое применение в производстве детекторов ядерного излучения (Се), опто-электронных устройствах, НЖГ- транзисторах и т.д. (GaAs).
Электрофизические параметры многих полупроводников, не подверженных специальному легированию, во многом определяются мелкими примесями. Разработанные достаточно давно теоретические представления хорошо описывают поведение изолированного примесного атома донорного или акцепторного типа. Современные достижения в получении чистых полупроводниковых материалов стали возможны как в результате совершенствования технологий роста и очистки кристаллов, так и методов регистрации остаточных мелких примесей, идентификации их химической природы. Таким методом стал метод фотоэлектрической спектроскопии, в основе которого лежит измерение спектра фотопроводимости (ФИ). Линейчатый спектр ФП, возникает в результате двухступенчатого процесса. : под действием внешнего источника излучения атом переводится из основного состояния в возбужденное, а затем, за счет поглощения кванта фонона решетки, происходит ионизация примеси с образованием носителя заряда. При сканировании длины волны внешнего источника резонанси возникают всякий раз, когда энергия фотона совпадает с энергией перехода на одно из возбужденных состояний атома. Оценки показывают, что сигнал в спектре не зависит от концентрации примесей вплоть до N « І05 см-3, т. е. имеет огромный запас чувствительности.
По мере очистки материала уменьшается количество примесных атомов в кристалле и это- позволяет исследовать высоковозбужденные примесные состояния, не подверженные влиянию соседних примесных атомов. К тому же определенный интерес последнее время вызывают исследования по влиянию магнитного поля
на такие состояния. Это связано с проблемой поведения атома водорода в сильном магнитном поле (Ья/2-Ry > I, где г*я-циклотронаяэнергия, Ну- энергия связанного состояния принесе).
Из современных методик изучения примесного состава примесей только метод фотоэлектрической спектроскопии позволяет идентифицировать химическую природу мелких примесей в столь низких концентрациях (в сверхчистом германии это *109 см-3). Существуют две наиболее распространениях экспериментальных возможности реализации этой методики. Метод Фурье-спектроскопии, использующий высокоскоростные ЭВМ обратного Фурье преобразования и метод суОмиллимегровой лазерной магнигосивкгроскопии (СШ Л МС), когда примесный спектр записывается сканированием магнитного поля при фиксированной длине волны излучения.
Актуальность выбора материала обусловлена несколькими причинами. Во-первых, это наиболее чистые полупроводниковые материалы, которые являются модельными для исследования особенностей примесного спектра в, магнитном поле. Во-вторых, они нашли широкое применение в производстве полупроводниковых приборов, таких как детекторы ядерного излучения (Ge). Контроль буферных слоев и высокочистых эпитаксиальных пленок GaAs, выращенных молекулярно- лучевой эпитаксией (МЛЭ) на предмет анализа химической природы мелких доноров (анализ акцепторов производится методом фотолюминесценции) проводился методом субмиллиметровой спектроскопии, что, в принципе, приводит к повышению эффективности транзисторов, работающих на квазидвумерном электронном газе (НЕМТ-транзисторы). Также последнее время большой интерес вызывают исследования примесного спектра в структурах пониженной размерности (квантовые ямы и сверхрешетки), в связи с возможностью их практического применения.
Целью данной работы было исследование особенностей спектра мелких примесей в чистых кристаллах Ge и эпитаксиальных пленках GaAs, выращенных жвдкофазной (ЖФЭ) и молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ), а также сверхрешетках (СР) (GaAs)n(InAa)n в
магнитном поле.
Научная новизна работы. Все основные результаты и выводы диссертации являются оригинальными.
Впервые проведена идентификация метастабильных состояний дснорсз и акцепторов в Ge с помощью циркулярно- поляризованного субмиллиметрового излучения. Обнаружены переходы с основного состояния акцептора непосредственно на уровни Ландау легких днрок. Показано, что снятие вырождения по магнитному моменту метастабильных состояний под уровнями Ландау легких дырок с различным спином различно. Обнаружен комбинированный резонанс на примесных состояниях как доноров ( Р и Sd ), так и акцепторов (А1) при оптических переходах с основного состояния на
ЕОЗСуВДеННЫе .
Изучено влияние условий роста и легирования редкоземельными элементами (РЗЭ) на химическую природу мелких доноров пленок GaAs, выращенного ШЭ из расплава ВІ. Обнаружена зависимость эффекта связывания доноров элементов VI группы от атомной массы как РЗЭ, так и самих доноров.
Впервые обнаружены примесные переходы в сверхрешетках (GaAs)n(InAs)a. Обнаружена зависимость положення основного перехода от периода СР и конфигурации эксперимента (Фойгта или Фарадея). Обнаружена тонкая структура, связанная с вкладом доноров S, расположенных в центре и на краю барьера GaAs.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Идентификация химической природы мелких" примесей в настоящее время возможна только по спектрам фототермической г.снизашш, лазерный . вариант которого используется в настоящей работе. Поэтому сама методика эксперимента дает ценную информации о наличии той или иной примеси и об относительном ее і кладе.
I. Проведенные в работе оценка чистоты - и идентификация химической природы фоновых доноров методом СММ Л МО, полученного Е^Э из расплава висмута были использованы для установления условий получения высокочистого малокомпенсированного GaAs п-и р- типа. Установлено, что доминирующими мелкими донорами в образцах GaAs являются S и Se.
Z. На основании измерений примесного спектра в GaAs, „.егированного РЗЭ и установленном факте связывания элементов VI группы РЗЭ, удалось устранить неоднозначность в идентификации резонансов Sn/Se и Pb/Те и установить положение резонансов, обусловленных вкладами доноров Se и Те.
3. Экспериментальные результаты по примесной спектроскопии в СР (GaAs)n(InAs)m качественно позволяют делать вывод о неоднородном распределении примесей вдоль оси СР. Использование теоретических расчетов в дальнейшем, по-видимому, позволит установить количественное распределение примесей в СР и причины, приводящие к неравномерному их рапре делению вдоль оси СР, не подверженных специальному легированию.
На защиту выносятся i_
-
Результаты экспериментального исследования спектров ФП дискретных и квазидискретных состояний мелких доноров Р, Sb и акцепторов А1 в чистом германии в магнитном поле.
-
Экспериментальное обнаружение комбинированного резонанса йри оптическом возбуждении как доноров (Р и Sb), так и акцепторов (А1) в германии.
-
Экспериментальные результаты по исследованию влияния условий" роста и легирования РЗЭ (Yd, Gd) на примесный состав мелких доноров пленок GaAs, выращенного ЖФЭ из ВІ расплава.
-
Экспериментальное обнаружение спектра мелких доноров в СР (GaAsJndnAs),,, в зависимости от периода СР.
Апробация работы.
Результаты, полученные в данной работе, докладывались на научных семинарах Отдела фізики поверхности ШІ СО РАН, на конкурсах научных работ ИФП, Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Киев 1985, Кишинев 1989, Киев 1990), I Международном симпозиуме по эпитаксиальному росту кристаллов (Будапешт, 1990), V Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Нара,Япония, 1991 ), I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, .1993), VI Международной -конференции по мелким примесным центрам в полупроводниках ( Беркли, США, 1994).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Объем работы. Диссертация изложена на 145 страницах, включая 29 рисунков, 9 таблиц и списка литературы из 146 наименований.
