Свойства 3d-примесей в широкозонных алмазоподобных полупроводниках на примере железа в фосфиде галлия

• Автор: Чигинева, Анна Борисовна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 193 с. : ил.

Гланл 1. Обзор литературы, посвященной свойствам Зб-прнмессй в

алмазонодобпых полупроводниках на примере железа в фосфиде галлия.

1.1. Введение

1.2. Теория и феноменология свободных и примесных Зб-иопов

1.2.1. О полностью расширенном методе Харгри-Фока

1.2.2. Кристаллическое расщепление Зб-уровней

1.2.2.1. Теория кристаллического ноля

1.2.2.2. Кристаллическое расщепление для Зб-ионов. Экспериментальные данные

1.2.3. Теория примесных Зб-иопов

1.3. Свойства железа в фосфиде галлия

1.3.1. Структурные положення н зарядовые состояния железа в кристаллической решетке ОаР
1.3.2. Э1II’ железа в фосфиде галлия
1.3.3. Энергетические уровни железа в фосфиде галлия
1.3.4. Диффузия и растворимость
1.4. Релаксация и распад твердых растворов Зб-гтримессй в полупроводниках
1.5. Дальнодействующее влияние ионного облучения на свойства полупроводниковых кристаллов с примесями переходных элементов (Ре, Сг)
Глава 2. Расчет электронных состояний атомов и кристаллического расщепления Зб-ионов в рамках модели атома со слоистыми оболочками
2.1. Введение
2.2. Модель атома со слоистыми электронными оболочками
2.3. Расчет параметров межэлектрошгого взаимодействия и схемы термов свободных Зб2-ионов
2.3.1. Расчет параметров Слэтера-Кондопа
2.3.2. Схема уровней 36 -конфигурации. Сравнение с экспериментом
2.3.3. Расчет потенциалов ионизации легких ионов
2.4. Кристаллическое расщепление термов Зб2-конфигурации в кубических полях. Обобщение ТКІІ на случай слоистой б-оболочкн
2.4.1. Простая теория кристаллического ноля для б-оболочкн с двумя электронами
2.4.2. Построение волновых функции в мног ослойном приближении
2.4.3. Расщепление термов. Октаэдрическое ноле
2.4.4. Расщепление термов. Тетраэдрическое иоле

2.4.5. Количественный расчет кристаллического расщепления и многослойном приближении
2.4.5.1. Расчет параметра кристаллического поля па примере иона титана в полупроводниках Л3В5
2.4.5.2. Расчет кристаллического расщепления в тетраэдрнчески коордпн про ваш h.ix [СЮ4 ] -комплексах
Глава 3. Низкотемпературная релаксация твердого раствора железа в фосфиде
галлия
3.1. Введение
3.2. Подготовка образцов GaP. Методы их исследования
3.2.1. Легирование образцов Gal’ железом
3.2.2. Применение метода ЭГ1Р при исследовании А- и В-центров железа в ОаР
3.2.3. Получение диффузионных профилен железа в GaP
3.2.4. Измерения эффекта Холла и удельного сопротивления
3.3. Распределение узловых и междоузельпых центров железа по глубине кристаллов Gal’
3.3.1. ЭГ1Р железа в фосфиде галлия
3.3.2. Диффузионные профили А- и В-центров железа в GaP
3.4. Релаксация твердого раствора железа в фосфиде галлия
Глава 4. Влияние ионного облучения аргоном на состояние примесных центров железа в фосфиде галлия
4.1. Введение
4.2. Методика эксперимента
4.3. Далыюдспствуюшсе влияние ионной бомбардировки аргоном па состояние А- и В-центров железа в кристаллах GaP
4.4. Исследование топографии поверхности фосфида галлия при облучении различными дозами ионов аргона
4.5. Обсуждение природы эффекта дальнодействия в фосфиде галлия при ионном облучении, химическом травлении и механической шлифовке
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение б

Переходные элементы группы железа с заполняющемся внутренней Зб-оболочкой привлекают внимание исследователей в связи с нх упикалвпымн магнитными и оптическими свойствами в элементарном твердом состоянии, химических соединениях и как примеси в твердых телах. Последний аспект важен по отношению к наиболее актуальным алмазоподобнмм полупроводникам, широкозонным представителем которых является фосфид галлия, а также но отношению к более сложным соединениям с широкой запрещенной зоной и с тетраэдрическим окружением ближайших соседей.
Известно, что Зб-цснтры наводят локальные и квазнлокальные состояния с энергетическими уровнями, часто далеко отстоящими от краев зон кристалла. Положение таких глубоких уровней сильно колеблется в зависимости ог сорта примеси, а сами ионы переходных элементов могут иметь множество зарядовых состояний, принимая или отдавая до двух-трех б-электропов. Присутствие глубоких центров в полупроводнике можег приводить к компенсации проводимости, значительно влиять на подвижность основных носителей, время жизни неосновных носителей тока, сильно влиять на парамагнетизм полупроводника. Благодаря этим качествам, позволяющим в широких пределах управлять свойствами кристалла, материалы, намеренно легированные примесями переходных Зб-элемснтов, находят все большее применение в твердотельной электронике и оптоэлсктроникс.
Алмазоиодобпыс А3В5 соединения имеют наибольшее значение, конечно, не в тех областях, в которых успешно используются Б1 и Ое, а в тех применениях, которые зависят от их уникальных свойств. Например, компенсированные широкозонные полупроводники ОаЛз<Сг>, 1пР<Бе>, Оа1><Сп>, Л1Л5<Ге> используются в качестве полунзолирующих подложек в интегральных микросхемах и схемах оптоэлектропнки. Быстро развивающейся областью технологии, в которой Бй Ос и другие полупроводники не способны конкурировать с соединениями А3В5, является изготовление электролюмпнесцеитиых приборов. Фосфид галлия оказался наиболее подходящим материалом, который обеспечивает эффективную люминесценцию в видимой области спектра, что представляет наибольший интерес с точки зрения разнообразных потенциальных приложений, включая создание индикаторных устройств. р-п-Переходы па основе А3В5 полупроводников с глубокими примесями используются для изготовления светодиодов, быстродействующих импульсных диодов, детекторов ядерных излучений, лавинно-пролетных диодов.
Большой интерес вызывают в последнее время оптически активные материалы, легированные Зб-ионамн, что связано, прежде всего, с возможностью генерации лазерного
В(1153 К) = 3,6х 10"'° см1/с , измеренная авторами [84], не укладывается ни на
прямую, описываемую уравнением (1.11), ни па прямую (1.9), аппроксимированную в область низких температур. Как видно из рис.1_9, указанное значение коэффициента диффузии В-центров более чем на порядок превышает соответствующее той же температуре значение коэффициента диффузии для центров замещения. Это свидетельствует, па наш взгляд, о большей диффузионной подвижности В-центров железа в решетке ваР по сравнению с А-цснтрами. В связи с этим и с цслыо получения дополнительных подтверждений существования части примеси железа в положении внедрения, было бы интересно исследовать процессы релаксации твердого раствора СаР<1'с>, кинетику образования комплексов железа с другими дефектами, а также влияние ионной бомбардировки па процессы комплексообразования. Все эти методики использовались при изучении свойств железа в кремнии [50], где эта примесь находится преимущественно в положении внедрения. Сообщений о подобных исследованиях в А3В5 нам обнаружить в литературе не удалось. •
1.4. Релаксации и распад твердых растворов 3(1-примсссй в полупроводниках
Еще с пионерских работ Людвига и Вудбери [23] было известно, что в кристаллах А3В5 Зб-элементы замещают А-компоненту и имеют сравнительно большую энергию активации диффузии (9»2-ЗэЛ [20]. Поэтому следовало ожидать высокую
термостабнлыюсть таких систем, и релаксационные процессы в них не исследовались. Однако, недавно на примерах Мп в СаАэ [85] и ваР [37,86], а также Ре в ОаР [38,47,59] появились свидетельства того, что сравнимая с узловой доля примеси может находиться в положении внедрения. В связи с этим следует ожидать заметную низкотемпературную релаксацию твердых растворов (НРТР) переходных элементов и в полупроводниках А3В5, в частности, железа в фосфиде галлия, подобно тому, как это наблюдалось для железа в кремнии [87]. Поскольку литературных данных по вопросу о НРТР Зб-примесей внедрения в бинарных соединениях пока нет, ниже будут рассмотрены некоторые закономерности этого процесса на примере хорошо изученной системы 81<Ре>.
Как отмечалось выше, переходные металлы (Сг, Мп, Ре, N1, Го) образуют с кремнием твердые растворы с весьма малой равновесной растворимостью. Поэтому при охлаждении от высоких температур они, как правило, оказываются пересыщенными, и в них наблюдается распад уже при относительно невысоких температурах [87]. Принято считать, что распад твердых растворов обычно имеет две основные стадии: первая -образование комплексов и небольших кластеров, которые становятся впоследствии