Автореферат докторской диссертации (1097791), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Как показали27измерения коэффициента Холла, уже при дозе имплантации ионов Ga+ или As+ 3·1012 см-2образец характеризуется проводимостью p-типа.С целью получения более полной информации о процессах, сопровождающих ионнуюимплантацию и компенсацию проводимости эпитаксиальных пленок GaAs, был использованметод фотоотражения [22].
Регистрация спектров фотоотражения производилась в областикрая фундаментального поглощения. В спектрах ФО (дозы имплантации 0 - 6·1011 см-2)доминирует пик с положительными значениями ΔR/R в области длин волн 850 - 870 нм. Сувеличением дозы имплантации в спектрах наблюдается изменение амплитуды и полярностипика, а также его смещение в длинноволновую область.Обработка экспериментально полученных спектров заключалась в аппроксимации ихтеоретической зависимостью-1 ùéDRif( E ) = Re ê A × e × æç hw - E + iG ö÷ úgRèø úêëû(11)где A, j - амплитудный и фазовый параметры, ħω - энергия зондирующего излучения, Ei- положение спектральной особенности, Г - параметр уширения. В ходе аппроксимацииварьировались параметры A, j , Eg и Г, а также параметры фона.Как известно, величина Г определяется процессами рассеяния на примесях, фононах иразличных несовершенствах кристаллической структуры полупроводника, причем Г=e/(μ·m*).Таким образом, по спектрам ФО можно оценить подвижность носителей как ~1230 см2/В·с дляисходного образца и 920 см2/В·с для образца, имплантированного ионами В+ дозой 3·1011 см-2.Полученные из измерений слоевого сопротивления и эффекта Холла значения подвижностисоставили 1600 и 800 см2/В·с соответственно, что с удовлетворительной точностью совпадает сполученными из спектров ФО.Проведенные электрофизические измерения показали также, что при имплантациипроисходит компенсация проводимости GaAs, связанная, по-видимому, с образованиемрадиационных дефектов, имеющих глубокие уровни в запрещенной зоне GaAs и являющихсяловушками для электронов.
Согласно знаку коэффициента Холла, в интервале доз 1.2-2.4·1012см-2 имеет место n-p конверсия. Этим же дозам соответствует резкое изменение величины Eg.Наблюдаемое уменьшение ширины запрещенной зоны GaAs может быть связано как с n-pконверсией, так и с аморфизацией имплантированного слоя.
Однако проведенное вышеисследование тех же образцов методом КР показало, что вплоть до дозы имплантации 6·1013см-2 аморфизации образца не происходит. Изменение Eg нельзя объяснить также и эффектомБурштейна-Мосса, т.к. величина Eg остается постоянной в пределах точности измерений длявсех образцов с n-типом проводимости при дозах имплантации до 2.4·1012 см-2. Значение Eg при28этом совпадает с шириной запрещенной зоны для чистого GaAs. Поэтому можно считать, чторегистрируемое изменение Eg обусловлено изменением типа проводимости. Уменьшение Egдля образцов p-типа объясняется, по-видимому, образованием примесной акцепторной зоны,расположенной над потолком валентной зоны.В § 6.3 приведены результаты исследования методами КР и ФО процесса активациипримеси при быстром термическом отжиге GaAs имплантированного ионами Mn+ с дозой5×1015 см-2 и энергией 200 кэВ [23].Рис.
14. Спектры КР образцов GaAs, Рис. 15. Разложение спектра КР образцаимплантированных ионамиMn+после GaAs:Mn+, отожженного при температуребыстрого термического отжига.900˚С.В спектре КР неотожженного образца (рис. 14) наблюдается широкая полоса в области200-270 см-1, которая соответствует плотности фононных состояний аморфизованного врезультате ионной имплантации GaAs. В спектрах комбинационного рассеяния светаотожженных образцов эта полоса исчезает, и появляются линии в области 266 и 291 см-1,связанные с рассеянием на поперечных (TO) и продольных (LO) колебаниях кристаллическойрешетки GaAs. В спектрах образцов, отожженных при температурах от 400 до 600 ºСуменьшается ширина этих линий и наблюдается рост интенсивности линии LO, что связано свосстановлением кристаллической структуры GaAs. При температурах отжига более 700 ºС вобласти 291 см-1 появляется дополнительная широкая линия, обусловленная рассеянием насвязанных фонон-плазмонных модах.
Наблюдаемая в спектрах КР динамика измененияинтенсивности и ширины линии в области LO колебаний GaAs связана с тем, что в ходе отжигапроисходит не только восстановление кристаллической структуры образцов, но и активацияпримеси. Последнее приводит к появлению рассеяния на связанных фонон-плазмонных модах,частота которых для полупроводника p-типа попадает в область продольных колебанийрешетки.
На рис. 15 приведено разложение на контуры TO, LO и СФПМ спектра КР образца,29отожженного при температуре 900оС. Наблюдаемая связанная фонон-плазмонная модаявляется сильнозатухающей и оценка концентрации носителей по ее частоте оказываетсязатруднительной. Исследование тех же образцов методом ФО подтвердило результатыполученные методом КР и показало, что процесс легирования имеет следующие особенности.Имплантация GaAs ионами Mn+ с дозой 5×1015 см-2 и энергией 200 кэВ приводит каморфизации приповерхностной области. При температурах отжига 400-600 оС происходитвосстановление кристаллической структуры имплантированного GaAs, без существенногоизменения электрофизических свойств.
При температурах отжига 600 - 700 оС происходитобразование кластеров марганца, что сопровождается скачкообразным уменьшением ширинылинии фотоотражения. При температурах отжига более 700 оС происходит встраиваниемарганца в кристаллическую решетку GaAs. Это сопровождается появлением рассеяния насвязанных фонон-плазмонных модах, и сдвигом линии фотоотражения в область меньшихэнергий на 47 мэВ., что соответствует энергии многозарядного акцептора Mn.В § 6.3 КР и ФО используются для выбора оптимального режима обработкиповерхности GaAs с ориентацией (100) в плазменном источнике на основе электронногоциклотронного резонанса (ЭЦР) [24, 25].Применяемые при изготовлении современных приборов опто- и наноэлектроникиподложки GaAs содержат в своей приповерхностной области большое число дислокаций,радиационных центров и иных дефектов, которые отрицательно сказываются на качествеизготавливаемых полупроводниковых структур.
Такого рода дефекты приводят к стабилизацииуровня Ферми в середине запрещенной зоны, что приводит к уменьшению быстродействиябиполярных транзисторов, уменьшению эффективности полупроводниковых лазеров исолнечных батарей. Для уменьшения плотности дефектов в приповерхностной областиподложек используют плазменное травление в источниках на основе ЭЦР. Подложки GaAs(100) типа АГП обрабатывали при разных режимах в плазменном источнике на основе ЭЦР.Как показали наблюдаемые в спектрах КР и ФО изменения, все предложенные режимыобработки поверхности в источнике плазмы приводят к уменьшению плотности дефектов вприповерхностнойобласти.Изпредложенныхрежимовподготовкиповерхностиквыращиванию полупроводниковых структур наиболее оптимальными оказались режимытравления ионами Ar+ с энергией 20 эВ при сравнительно высоком давлении (0.1 Па) (образец№2) и травлением в смеси CHF3+O2 (образец №4).Седьмая глава посвящена исследованию энергетического спектра межзонныхпереходов в одиночных и двойных полупроводниковых квантовых ямах на основе гетеропарыGaAs/AlGaAs [26-32].30В § 7.1 приведены результаты исследования гетероструктур с одиночными квантовымиямами на основе GaAs/AlGaAs .
Образцы выращивались методом молекулярно-лучевойэпитаксии и представляли собой квантовые ямы GaAs шириной 6.5, 10, 20, 26, 30 и 35 нм,помещенные между барьерами Al0.2Ga0.8As. Толщины барьеров в разных образцах составляли30 – 33 нм. В спектрах ФО наблюдались линии в области 1.41 и осцилляции Франца-Келдышав области 1.70 - 1.77 эВ, связаны с фундаментальными переходами GaAs, и Al0.2Ga0.8 Asсоответственно. Линии в области энергий 1.41 - 1.70 эВ соответствуют низкополевой моделиАспнеса. В связи с тем, что с ростом ширины квантовой ямы Lw от 6.5 до 35 нм наблюдаетсяувеличение числа спектральных линий в этой области энергий, они связаны с переходамимежду уровнями размерного квантования электронов зоны проводимости и дырок валентнойзоны.В случае прямоугольного потенциала энергии уровней в квантовых ямах зоныпроводимости и валентной зоны Ei определялись методом огибающей волновой функции изрешения трансцендентного уравнения:æsin ç Lw×è2 m *×Ei1h2ö 1é÷- êø 2 êë*m × (V - Ei )1*m Ei2mùæú × cos çç Lw ×- Ei ) úûè*× Ei2*m × (V12 m * × Ei1h2ö÷÷ = 0ø(12)здесь m1* - эффективная масса носителей в яме GaAs, m2* - эффективная масса носителейв барьере Al0.2Ga0.8 As.
Энергии межзонных оптических переходов в квантовой ямеjheопределяются из выражения: E = E + E i + E, где Eie – энергия i - го уровня в квантовой01kяме зоны проводимости, Ekjh – энергия k – го уровня в валентной зоне, j=l, h для подзон легкихи тяжелых дырок соответственно.На основании рассмотренной модели произведен расчет энергий межзонных переходовдля гетероструктур с одиночными квантовыми ямами. При вычислении энергий межзонныхпереходов мы считали квантовую яму прямоугольной. В этом случае действуют правилаотбора по чётности и наиболее вероятными являются переходы с n - ne = 0, 2... , где nl,h l ,hномер энергетического уровня в валентной зоне для тяжелых h или легких l дырок, ne - номерэнергетического уровня в зоне проводимости. В результате проведенных расчетовустановлено, что наблюдаемые в спектрах ФО линии соответствуют межзонным переходам вквантовых ямах.Установлено,чтозначенияпараметрауширениялинийФО,обусловленныхмежзонными переходами в квантовых ямах, уменьшаются с увеличением ширины квантовыхям.Следовательно,основноймеханизмуширения31спектральныхлинийсвязанспространственной неоднородностью гетерограниц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
