Введение к работе
Актуальность темы. Изучение спектров фотолюминесценции (ФЛ) позволяет получить информацию о многих фундаментальных свойствах материала, в том числе об особенностях энергетического спектра электронных состояний, связанных с неоднородностями легирования и состава твердого раствора. Известно, что флуктуации потенциала краев разрешенных зон, вызванные разупорядочением примесей или состава твердого раствора, могут сильно влиять на оптические и электрические свойства полупроводников. Примесные флуктуации наиболее существенны в сильно легированных полу — про эдниках (СЛП). Согласно теории люминесценции [1], картина межзонной рекомбинации в СЛП значительно сложнее, чем в чистых полупроводниках, за счет участия носителей, локализованных во флуктуационных состояниях. Флуктуации состава, неизбежные в твердых растворах, могут заметно влиять на спектры люминесценции нелегированных слоев, особенно на экситонные спектры. В квантовых структурах флуктуации состава, наряду с флуктуациями ширины ямы ответственны за уширение экситонных линий [2].
В данной работе исследовались слои GaAs, легированные
кремнием, слои InxGaj _xAsj_yPy, легированные оловом и пинком, и
нелегированные квантовые структуры InxGaj _ xAs/GaAs.
Перечисленные материалы широко используются в современной опто— и наноэлектронике. Структуры на основе твердого раствора IuxGai_xAsj_yPy с составами на длины волн >1мкм являются основным материалом для создания приборов для волоконно-оптических линий связи. Квантово —размерные структуры InxGat_ xAs/GaAs и напряженными решетками последнее время успешно
конкуряруют с изопериодическимп структурами при разработке быстродействующих транзисторов, модуляторов, лазерных диодов и т. д. Интерес к изучению Si— легированного GaAs з последнее время вырос в связи с появившейся идеей использовать зависимость амфотерних свойств кремния от условий выращивания (ориентации поверхности GaAs, парциальных давлений мышьяка и галлия и др.) для получения слоев с различным типом проводимости и концентрацией свободных носителей в одном технологическом процессе [3].
Цели настоящей работы. Перечисленные предпосылки послужили основой для постановки следующих задач:
исследовать спектры краевой ФЛ сильно легированных слоев InxGa]_xAs]_yPy (х=0.77, у = 0.53) и— и р—типа в зависимости от температуры и плотности возбуждения; провести ігх анализ на основе теории люминесценции СЛП [1], учитывающей флуктуации концентрации примесей.
исследовать спектры краевой ФЛ Si — легированных слоев GaAs; изучить влияние условий выращивания (ориентации поверхности и давления мышьяка) на параметры флуктуационных состояний, вызванных неоднородным распределением примеси кремния в GaAs; выясшпь влияние амфотерного поведения кремния на формирование спектров краевой и примесной ФЛ в Si — легированном GaAs.
провести исследования спектров ФЛ псевдоморфных структур с кьантовымн ямами (КЯ—структур) InxGai „xAs/GaAs; выяснить влияние флуктуации состава твердого раствора и «островковых» флуктуации ширины ямы на спектры эко/гоннои ФЛ.
-5-Научная новизна.
Исследованы спектры краевой ФЛ сильно легированного InxGaj _ -jAsj _vPy (х-0,77, у = 0,53) п — и р—типа в диапазоне температур 77 — 300 К н плотностей возбуждения 10—103 Вт/см- и проведен их анализ. При низких температурах обнаружены особенности, обусловленные локализацией рекомбпнирующих носителей во флуктуационных состояниях: снижение иіпенсивности, уменьшение энергии максимума и уширение спектров краевой ФЛ по сравнению с аналогичными параметрами пелепгрованного In^Ga! _xAsj _уР„ и смещение максимума спектров в сторону более высоких энергий с ростом плотности возбуждения.
Пр >ведены исследования спектров ФЛ Si — легированных
зпитаксиальных слоев GaAs с ориентациями (100), (111)А и (111)В в
зависимости от отношения парциальных давлений мышьяка и галлия
g=PAs/PGa (g = 14 — 77). Трасформацня спектров краевой и
примесной ФЛ с ростом давлення мышьяка объясняется амфотерним
поведением кремния: увеличением доли донорных состояний SlQa и
уменьшением доли акцепторных состояний SiAs. Показано, что
характерная амплитуда флуктуации потенциала краев зон для всех
образцов независимо от ориентации поверхности и давления
мышьяка в процессе роста примерно вдвое меньше
теоретического значения при случайном распределении примеси.
Исследованы спектры ФЛ псевдоморфных структур InxGaj _ xAs/GaAs fx =0,13+0,01) с одиночными квантовыми ямами в диапазоне температур 5—300 К и плотностей возбуждения 10—10і Вт/см2. Получена температурная зависимость ширины запрещенной зоны понапрчжонного т:ь:-рдого раствора Ino.j-jGao.ayAs и показана
-б —
возможность ее аппроксимации функцией Варшни с коэффициентами Ед(0)=1.321эВ, а=4.1-10-4эВ/грал Є = 139К. Получены выражения, позволяющие определить коэффициенты Варшни для InxGa!_xAs с призвольным содержанием In.
Проведен расчет ширины экситонной линии ФЛ в КЯ — структурах lnxGa, _ xAs/GaAs в зависимости от размера ям для механизмов уширения, связанных с флуктуациями состава твердого раствора и «островковыми» флуктуациями ширины ямы.
Практическая ценность работы.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке. приборов на основе структур, содержащих слои GaAs, InxGat_xAs1_yPy, InxGai_xAs, поскольку флуктуации легирования и состава существенно влияют на энергетический спектр электронных состояний и, следовательно, на характеристики приборов.
Сделанные в работе выводы о влиянии условий роста (ориентации поверхности и давлении мышьяка) на люминесцентные и электрические свойства Si — легнрованного GaAs представляют интерес для решения технических задач. связанных с использованием амфотерного поведения атомов кремния в Ga;- -,.
Результаты расчета зависимости ширины экситонной линии ФЛ от размера ям в КЯ — структурах InxGa! _xAs/GaAs для механизмов уширения, связанных с флуктуациями состава твердого раствора и «островковыми» флуктуациями ширины ямы, могут быть использованы при фотолюминесцентной диагностике качества выращенных структур: резкости гетерограниц и степени неоднородности твер у го раствора.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Краевая ФЛ сильно легированного InxGa1_xAs1_yPy (х=0,77,
у=0,53) при низких температурах Т<у (у—амплитуда флуктуации
потенциала, вызванных неоднородным распределением примеси)
определяется рекомбинацией носителей, локализованных во
флуктуационных состояниях. С этим связаны особенности ФЛ
сильно легированного InxGa1_xAs1_yPy: уменьшение энергии
максимума и уширение спектров по сравнению с аналогичными
параметрами нелегированного InxGaj _xAs, _уРу и смещение спектров
в сторону более высоких энергий с ростом плотности возбуждения.
Наиболее ярко эти особенности проявляются в невырожденном
материале р—типа, где преобладает рекомбинация локализованных
электронов со свободными дырками (ТВ —механизм).
2. Увеличение парциального давления мышьяка в процессе роста
Si—легированных слоев GaAs (Nst*10l8CM-3) приводит к смещению
краевой полосы ФЛ в сторону более высоких энергий вследствие
амфотерного поведения хремния: увеличения доли донорных
состояний Sica и уменьшения доли акцепторных состояний Si,^.
Характерная амплитуда флуктуапий потенпнала краев зон в
выращенных молекулярно —лучевой эшггаксией слоях Si —
легирозашюго GaAs независимо or ориентации поверхности и
давления мышьяка в процессе роста примерно вдвое меньше
теоретического значения при случайном распределении примеси.
3. Температурная зависимость ширины запрещенной зогш
ненапряженного твердого раствора In0 tjGa0i87As хорошо
аппроксимируется функцией Р.аршни с коэффициентами
Еа(0)-1.321эВ, а = 4.1'!0--,зВ/град, 0 = 1 ЗЭК. Получены выражения,
позволяющие определить коэффициенты Варшни для Jnx(Jaj-xAs с произвольным содержанием In.
Аппробация работы. Результаты работы докладывались на і Российской конференции по физике полупроводников {Нижний Новгород 1993г.), Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (С. — Петербург, 1994г.) и опубликованы в научной печати. Полученная в работе температурная зависимость ширины зоны In0i3Ga087As включена в справочник "Handbook Series of Semiconductor Parameters", изданный в 1995 году в США.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации составляет 139 страниц, включая 29 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 77 наименований.
