ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 61-64
УДК 621.315.592
ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ М-ЦЕНТРОВ, СВЯЗАННЫХ С ПРИМЕСЯМИ Те, 8, 8п и 81, в 1пОаР
© 2004 г. Ю. К. Крутоголов1, В. Л. Крюков1, Ю. И. Кунакин1, А. А. Матяш1, А. К. Горбунов2
1ОАО "Научно-исследовательский институт материалов электронной техники", Калуга, Россия
2Филиал МГТУ им. Н. Э. Баумана, Калуга, Россия Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Методами нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней и вторично-ионной масс-спектрометрии изучены свойства ОХ-центров в слоях 1п1 _ хОахР (0.6 < х < 0.7), выращенных газофазной эпитаксией и легированных Те, Б, Бп и Установлено, что энергия активации ОХ-центров в пределах примесей одной группы (IV и VI) уменьшается с увеличением массового числа примеси, в то время как в пределах одного ряда химических элементов она растет с увеличением атомного номера.
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность работы приборов на основе твердых растворов соединений АШВ'У в диапазоне составов, прилегающих к точке перехода от пря-мозонного полупроводника к непрямозонному, существенно ограничивается присутствием ОХ-центров, которые принципиально неустранимы, так как образуются легирующими примесями. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал все еще недостаточен для создания окончательной модели ОХ-центров. Однако уже выяснен ряд общих особенностей ОХ-центров, которые должна включать любая успешная модель [1, 2]. Значительные достижения в выяснении микроскопической структуры ОХ-центров были получены при исследовании влияния на их поведение состава твердых растворов и гидростатического давления. Информативным является изучение химических тенденций в изменении характеристик ОХ-центров, в частности, их зависимости от свойств химических элементов, используемых в качестве донорных примесей. Так, для твердых растворов А1хОа1 _хАв (х ~ 0.3-0.4), легированных Б, Бе, Те, ве и Бп, показано [3], что энергия активации ОХ-центров, образованных примесями IV группы, уменьшается с ростом массового числа химических элементов, в то время как для ОХ-центров, связанных с примесями VI группы, энергия активации не зависит от вида химического элемента. В твердых растворах ОаАв1 - хРх (х ~ ~ 0.2-0.4) энергия активации ОХ-центров возрастает в следующей последовательности химических элементов: Те, Б [4]. Для твердых растворов ¡п - хвахР и ¡п - хОахАвуР1 - у имеющиеся сведения носят противоречивый характер. Так, для примесей VI группы в !п0.з20а0.б8Р и Ino.l8Gao.82Aso.28Po.72 с ростом массового числа наблюдается уменьшение энергии активации ОХ-центров [5, 6]. В то же время для
примесей IV группы информация является очень скудной. Кроме того, ряд исследователей считает, что примеси IV группы, в частности вообще не образуют ОХ-центры в ШваР [7, 8].
Целью настоящей работы является изучение химических особенностей энергий активации ОХ-центров, связанных с примесями Те, Б, Бп и в слоях ЬпваР.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Слои ^ - хвахР (0.6 < х < 0.7) я-типа проводимости толщиной 10-20 мкм выращивали методом газофазной эпитаксии (ГФЭ) в хлоридно-гидридной системе. Между эпитаксиальным слоем и подложкой я-ваР (100) наращивали переходный слой переменного состава с градиентом 1.5-2 мол.%/мкм. Состав твердого раствора х определяли на рентгеновском микроанализаторе МБ-46 "Сатеса" с ошибкой меньшей ±0.02, а изменение х в каждом образце не превышало 0.01. Легирование теллуром и оловом осуществляли добавлением особо чистых элементов в дополнительный источник галлия, а серой - посредством взаимодействия с И28. Кремний являлся основной остаточной примесью в легированных и преднамеренно не легированных слоях [9], дополнительное легирование кремнием производили введением в реактор монокристаллического кремния. Концентрация некомпенсированных доноров в легированных слоях, оцененная из вольт-емкостных (С-У) измерений, изменялась в диапазоне от (1-5) х 1016 см-3 до (1-5) х 1017 см-3. Нестационарную емкостную спектроскопию глубоких уровней (НЕСГУ) и С-У-измерения проводили на барьерах Шоттки, изготовленных вакуумным осаждением золота. Омические контакты к подложечной стороне структур создавали искровым распылением олова.
Спектры НЕСГУ изучали в модернизированном спектрометре, состоящем из двух крейтов КАМАК с набором функциональных модулей чувствительностью АС/С0 = 106 [10]. Для измерений использовали криостат с температурой, поддерживаемой в пределах ±0.2 К в диапазоне 78-400 К. Данные НЕСГУ регистрировали, накапливали и обрабатывали компьютером со специальным пакетом программ.
Измерения вторично-ионной масс-спектроме-трии (ВИМС) выполняли на ионном микроанализаторе ШБ-Зб "Сатеса". Ионы с энергией 14 кэВ использовали в качестве бомбардирующих ионов и анализировали отрицательные вто-
Сигнал НЕСГУ, отн. ед. -1
Те
80
120
160
200
240
Сигнал НЕСГУ, отн. ед -1
т, К
0
80
120
160
200
240
Сигнал НЕСГУ, отн. ед. -1
т, К Бп
80
120
160
200
240
Сигнал НЕСГУ, отн. ед. -1
0
т, К
80
120
160
200
240
т, К
Рис. 1. Спектры НЕСГУ электронных ловушек, связанных с элементами IV и VI групп, в слоях 1п1_ хОахР. Условия измерения: напряжение обратного смещения -5 В, амплитуда и длительность импульса заполнения 5 В и 10 мс соответственно, "окно скорости эмиссии" еп = 462 с-1. Сигналы НЕСГУ нормированы на амплитудное значение.
ричные ионы Те-, Б-, Бп- и Бг. Ток электронного пучка 1 мкА. Минимальная обнаруживаемая концентрация ионов составляла (1-5) х 1015 см-3. Для настоящего исследования были отобраны образцы с концентрацией остаточных примесей ниже предела обнаружения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В каждом из слоев в изученном диапазоне температур методом НЕСГУ обнаружено только по одной электронной ловушке с заметной концентрацией. При этом установлено, что для каждой из групп образцов, легированных одной из донор-ных примесей, амплитуда пика в спектре НЕСГУ возрастала с увеличением концентрации примеси, измеренной ВИМС, в использованном диапазоне легирования. Это указывало на связь обнаруженных ловушек с соответствующими примесями. Принадлежность электронных ловушек к ДХ-центрам подтверждалась наличием в соответствующих образцах долговременной фотоемкости при низких температурах, а также соответствием между концентрациями ловушек, ответственных за долговременную фотоемкость, и измеренными методом НЕСГУ [9].
Типичные спектры НЕСГУ для электронных ловушек, связанных с химическими элементами IV и VI групп, показаны на рис. 1. Сплошная линия представляет измеренный спектр НЕСГУ, в то время как штриховая линия является рассчитанной кривой НЕСГУ в предположении, что каждая ловушка создает только один энергетический уровень. Как видно на рис. 1, экспериментальный спектр каждой ловушки является более широким, чем расчетный, что хорошо известно как эффект сплавного расширения, обусловленный флуктуацией состава сплава вокруг дефекта, приводящей к возникновению группы энергетических уровней вместо одного [11, 12]. Ясно наблюдается значительное смещение положения пика в спектре НЕСГУ в пределах каждой из групп химических элементов. Однако в пределах одного ряда химических элементов смещение пика является незначительным. Кроме того, пики в спектрах НЕСГУ электронных ловушек, связанных с элементами VI группы, имеют явно асимметричную форму и смещаются к более высоким температурам при уменьшении ширины импульса заполнения (¿и). В то же время температурное положение более или менее симметричных пиков в спектрах НЕСГУ ловушек элементов IV группы практически не изменяется.
На рис. 2 представлены графики в координатах Аррениуса, по которым рассчитаны энергии термической активации электронной эмиссии Еа соответствующих ОХ-центров. Так, для ловушки, связанной с Бп, энергия активации оказалась наименьшей и составила 0.14 ± 0.02 эВ, что близко к
ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЯХ-ЦЕНТРОВ
63
значению 0.15 ± 0.03 эВ, полученному ранее [13]. Для ОХ-центра, связанного с Еа = 0.29 ± 0.02 эВ, что в пределах погрешности измерения соответствует результатам, приведенным в [14, 15]. Следует отметить, что в использованном диапазоне изменения длительности импульса заполнения от 10 мкс до 10 мс энергия активации ОХ-центров, связанных с элементами IV группы, практически не изменяется. Таким образом, для элементов IV группы энергия активации ОХ-центров увеличивается с уменьшением массового числа химического элемента. Эта тенденция соответствует случаю примесей IV группы в твердых растворах А1хва1 - ХАв [3], а также результатам, полученным при использовании гидростатического давления для исследования ваАв, легированного Бп, ве и [16]. Для элементов VI группы ситуация осложнена существенной зависимостью энергии активации ОХ-центров от длительности импульса заполнения. Так, при уменьшении ¿и от 10 мс до 10 мкс энергия активации увеличивается от 0.16 ± 0.02 до 0.22 ± ± 0.03 эВ и от 0.34 ± 0.02 до 0.55 ± 0.07 эВ для центров, связанных с Те и Б соответственно. Кроме того, сечение захвата электронов ОХ-центрами с уменьшением ¿и в обоих случаях также увеличивается. Такая зависимость энергии активации от условий измерения может быть одной из причин существенного разброса значений Еа, приводимых для элементов VI группы в различных работах [5, 7, 14]. Тем не менее, для элементов VI группы также прослеживается увеличение энергии активации ОХ-центров с уменьшением массового числа химических элементов. Эта тенденция противоположна поведению примесей VI группы в А1хва1 - ХАв, где энергия активации не зависит от вида химического элемента [3], но согласуется с закономерностью, наблюдаемой в твердых растворах ваАв1 - ХРХ [4] и в ваАв, легированном Те и Б, при гидростатическом давлении [16]. Измеренные нами энергии активации ДХ-центров вместе с данными из других источников для слоев ^ - хвахР, выращенных ГФЭ [7], жидкофазной эпитаксией (ЖФЭ) [5] и молекулярно-лучевой эпитаксией с использованием металлорганических соединений (МОМЛЭ) [14], сведены в таблицу. Сравнивая энергии активации ДХ-центров, связанных с примесями, принадлежащими к одному ряду химических элементо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.