Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕН
ТОВ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
А%5 9
І.Ї. Глубокие центры в полупроводниковых соединениях
А3В5 9
Общее положение изучения глубоких уровней в фосфиде индия 25
Влияние электронного облучения на свойства полу-
3 5
проводниковых соединениях 3 В ........ 37
Влияние облучения быстрыми электронами на электрофизические свойства фосфида индия 46
Постановка задачи исследования 50
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.КРИСТАЛЛОВ ФОСФВДА ИНДИЯ,
ЛЕГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЯМИ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА 52
Методика эксперимента и характеристики образцов 52
Результаты измерений и их обсуждение ......... 60
ВЫВОДЫ , 79
3. ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАМИ И ТЕРМООБРАБОТКИ НА
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ФОСФИДА ИНДИЯ,
ЛЕГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЯМИ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА 80
3.1. Исследование компенсированных образцов, облучен
ных электронами с энергией I МэВ ..,. 80
Результаты эксперимента 80
Обсуждение результатов 84
3.2. Влияние низкотемпературного отжига на электри
ческие свойства кристаллов фосфида индия, легиро
ванных примесями группы железа ЮЗ
3.2.1. Методика эксперимента 103
3.2.2. Результаты опыта и обсуждение * 106
ВЫВОДЫ , 120
4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ФОСФИДА ЩИЯ,
ЛЕГИРОВАННЫХ ПЕРЕХОДНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА 121
4.1. Фотопроводимость компенсированных кристаллов фос
фида индия Х2І
Методика и результаты эксперимента 121
Обсуждение полученных данных 128
Влияние электронного облучения и изохронного отжига на спектральные зависимости фотопроводимости кристаллов фосфида индия, легированных хромом , железом и марганцем 137
4.2. Фотолюминесценция и оптическое поглощение легиро
ванных слоев и кристаллов фосфида индия 146
4.2.1. Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев фосфида
индия, легированного марганцем ,..,, 146
1.2.2, Оптические поглощение легированных кристаллов
фосфида индия 156
4.3. Поведение 3d - элементов в фосфиде индия 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165
ПРИЛОЖЕНИЕ X, Принципиальные электрические схемы измерительной установки и терморегулятора .. 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Формулы для статической обработки измеря
емых величин ., , 170
ЛИТЕРАТУРА 171
Введение к работе
Развитие физики и техники полупроводников привело к выделению самостоятельной области, связанной с глубокими центрами в полупроводниках. Примеси, создающие глубокие уровни, используются для получения высокоомных материалов, применяемых при изготовлении полуизолирующих подложек и слоев различных полупроводниковых приборов.
Большой практический и научный интерес представляют глубокие центры, обусловленные элементами группы железа с незавершенной 3d -оболочкой. В полупроводниковых соединениях А^В они порождают, как правило, глубокие акцепторные d -уровни. Примеси 3d -элементов используются для компенсации неконтролируемого донорного фона в исходном материале, что позволяет получить вы-
сокоомный материал. Неконтролируемые примеси этих элементов в
о с соединениях А В определяют, как правило, пригодность или непригодность материала для практических целей.
Внимание исследователей как в Советском Союзе, так и за рубежом, привлекает фосфид индия. В связи с прямой структурой зон, высокой подвижностью носителей заряда и термической стабильностью фосфид индия в ряде случаев превосходит кремний и арсенид галлия. К сожалению, сведений о поведении 3d -элементов примесей в фосфиде индия несравненно меньше, чем в арсениде и фосфиде галлия. Среди 3d -элементов наибольший интерес представляют примеси хрома, марганца и железа. Эти примеси, как показывают данные по арсениду и фосфиду галлия, имеют наибольшую раствори-мость в соединениях АВ .
Среди актуальных проблем, относящихся к фосфиду индия, легированному 3d -элементами, в первую очередь следует назвать выбор примеси, позволяющей получать высокоомные компенсированные
- 5"-
кристаллы, устойчивые к различным видам термических и радиационных обработок. В ходе изготовления полупроводниковых структур на высокоомных подложках легированный материал подвергается многократным и разнообразным термообработкам, которые в принципе могут изменять электрофизические свойства материала и приборов на его основе.
Кроме термической стойкости к полупроводниковым материалам и приборам представляются требования по радиационной стойкости. Следует подчеркнуть, что сведения о термической и радиационной стойкости фосфида индия, легированного переходными элементами группы железа, практически отсутствуют. При изучении радиационной стойкости удобно использовать метод облучения быстрыми электронами с энергией 1-5 МэВ. Электроны с такой энергией проникают в кристаллы на глубину порядка 300-500 мкм. Достаточные дозы облучения можно получать за время от 0,5 до 7,0 часов.
Таким образом, исследование свойств фосфида индия, легированного 3d -элементами, представляет собой актуальную задачу как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью данной работы является исследование влияния легирования фосфида индия хромом, марганцем и железом на электрические и оптические свойства высокоомных образцов при термообработке и облучении электронами.
В задачи работы входило:
Исследование электрофизических свойств фосфида индия, легированного хромом, марганцем и железом, и установление основных механизмов рассеяния носителей заряда в таких образцах.
Изучение устойчивости компенсированных высокоомных образцов при термообработке при температурах до 973 К и облучении
то р
электронами с энергией I МэВ и дозой до 10 см .
3. Выяснение поведения 3d -элементов в фосфиде индия на
основе комплексного исследования свойств легированных кристаллов. Указанные задачи определили структуру диссертационной работы, которая состоит из введения, четырех разделов, заключения и двух приложений.
Первый раздел посвящается рассмотрению современного состоя-
Ш V ния проблемы глубоких центров в широкозонных соединениях А В , в
частности, в фосфиде индия, и влиянию электронного облучения на электрофизические свойства этих материалов. Дан выбор задач исследования.
Во втором разделе проведено исследование электрических параметров в компенсированных образцах фосфида индия, легированного хромом, марганцем и железом. Изучаются механизмы рассеяния носителей заряда в этих образцах.
Влияние электронного облучения с энергией I МэВ и дозой до
ТО р
10 см и термообработки до температуры 973 К на электрические параметры образцов, легированных хромом, марганцем и железом рассматривается в третьем разделе.
Четвертый раздел посвящен изучению спектров фотопроводимости в компенсированных образцах и их изменению под воздействием электронного облучения и термообработки. Здесь рассматривается также изменение спектров фотолюминесценции кристаллов, легированных марганцем, при термообработке и спект оптического поглощения исходных образцов.
Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем:
Проведены комплексные исследования легированных 3d -элементами образцов с хорошей воспроизводимостью их свойств, что позволило уточнить термическую и оптическую энергии ионизации глубоких центров в фосфиде индия.
Показана важная роль областей пространственного заряда в ме-
ханизме рассеяния носителей заряда в компенсированных образцах фосфида индия, легированного хромом, марганцем и железом.
Установлено, что радиационное дефектообразование в фосфиде индия при комнатной температуре зависит от типа легирующей примеси.
Изучено влияние температуры и времени термообработки на концентрацию и подвижность носителей заряда в компенсированных кристаллах фосфида индия. Изменение указанных параметров зависит от двух процессов: образования термодоноров и перераспределения примесей.
Предложена модель глубокого центра в InP^Mn^ , объясняющая особенности свойств легированных кристаллов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Основным механизмом рассеяния носителей заряда в образцах фосфида индия, легированного хромом, является рассеяние на микроскопических областях пространственного заряда (ОПЗ), в кристаллах с примесью железа - рассеяние на акустических колебаниях кристаллической решетки с воздействием эффекта модулирования концентрации электронов крупномасштабными отрицательно заряженными ОПЗ, а в образцах, легированных марганцем, - рассеяние на крупномасштабных отрицательно заряженных ОПЗ с модулированием концентрации дырок крупномасштабными положительно заряженными ОПЗ.
Облучение быстрыми электронами приводит к появлению радиационных дефектов как акцепторного, так и донорного типа. Электронная радиация вызывает уменьшение концентрации носителей заряда во всех образцах независимо от их типа проводимости. При этом подвижность носителей заряда в образцах, легированных хромом и железом, увеличивается, а в кристаллах с марганцем уменьшается.
При термообработке происходят два процесса: перераспределение примесей в образцах и образование термодоноров. Этим и обу-
словливаготся увеличение концентрации электронов и уменьшение их подвижности в образцах, легированных хромом и железом. С образованием термодоноров и перераспределением примесей связано увеличение концентрации дырок и их подвижности при температурах термообработки ниже 773 К и уменьшение этих величин при более высоких температурах в образцах с примесью марганца.
4. При электронном облучении и термообработке наиболее стойкими являются образцы, легированные железом, благодаря наличию в объеме только крупномасштабных отрицательно заряженных ОПЗ, являющиеся стоками для радиационных и термических дефектов.
Практическая ценность. Легирование примесями хрома, марганца и железа можно рекомендовать для получения высокоомных и фоточувствительных кристаллов фосфида индия методом Чохральского. Крис-таллы с удельным сопротивлением больше 10 Ом.см изготовлены при легировании железом.
На основе проведенных исследований показано, что наибольшую термическую и радиационную стойкость имеют полуизолирующие кристаллы и слои фосфида индия, легированные железом.
