Изовалентное легирование : Управление электронными свойствами слоев GaAs и GaSb путем воздействия на систему примесей, точечных дефектов и наноразмерных кластеров

• Автор: Чалдышев, Владимир Викторович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 51 с.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Арсенвд галлия и другие соединения А3В5 являются базовыми материалами современной электроники и используются для создания лазеров, свето- и фотодиодов, быстродействующих транзисторов и интегральных микросхем, диодов Ганна и других приборов. Управление электронными свойствами этих полупроводников является ключевой задачей, решение которой определяет характеристики существующих и возможности создания новых приборов.
Традиционным способом управления свойствами полупроводников является легирование электрически активными примесями, создающими в запрещенной зоне мелкие донорные, мелкие акцепторные или глубокие уровни. В большинстве полупроводников А335 этот способ позволяет легко изменять тип проводимости материала и варьировать его удельное сопротивление в широких пределах. Несмотря на то, что традиционый подход универсален и хорошо разработан, он имеет ряд ограничений. Часть таких ограничений связана с электрической активностью собственных точечных дефектов в полупроводниках А3В5. Например, в антимониде галлия важную роль играют так называемые "природные" акцепторы/концентрация которых составляет 1014 ~ 10’7 см-3. В арсениде галлия глубокие уровни, связанные с собстьенными точечными дефектами решетки, обычно контролируют время жизни неравновесных носителей заряда. При высоком уровне легирования донорами или акцептор ми генерация дополнительных собственных точечных дефектов и формирование комплексов точечных, дефектов и примесей приводят к щшокомиенсащш и ухудшают параметры материала. Упомянутые явления -.'аусловлеиы фундаментальными причинами и проявляются при любых современных технологиях получения сдоев ваАх и баЗЬ.
Обычным требованием при традиционном подходе х формированию свойств слоев ОзАз я других полупроводников является низкая концентрация собственных точечных дефектов. При выращивании слоев методом молекулярно-лучевой эпитаксия этому требованию соответствует температура

роста Т» ~ 600’С. При понижении температуры роста концентрация собственных точечных дефектов быстро увеличивается и при Т8 - 200°С достигает 10- см-3, вследствие захвата в растущий слой избыточного мышьяка. Последующий отжиг эпитаксиальных слоев приводит к преципитации избыточного мышьяка и формированию системы наиоразмерных кластеров полумегалла Аз, встроенных в кристаллическк-совершенную матрицу ваЛз. При определенной концентрации и размере кластеров такой композиционный материал обладает уникальными свойствами: рекордно малым временем жизни носителей заряда в сочетании с высоким удельным сопротивлением и кристаллическим совершенством. Эти свойства делают материал чрезвычайно привлекательным для применения в сверхбыстродействующих оптоэлектрониых приборах и интегральных микросхемах. Формирование пространственно-упорядоченных структур кластеров заданного размера является перспективным для создания на базе этого материала нового типа приборов, работа которых основана на транспорте одиночных электронов.
Таким образом, разработка физико-химических основ и практических методов контролируемого воздействия на систему примесей, собственных точечных дефектов и наиоразмерных кластеров в слоях арсенида и антимонида галлия, получаемых с помощью различных эпитаксиальных технологий, а также ионной имплантации, является актуальной задачей для управления электронными свойствами этих материалов, формирования заданной структуры и достижения параметров, оптимальных для тех или иных практических целен.
На рубеже 70х - 80х годов М.Г.Мильвидским с сотр. был предложен новый подход к решению этой проблемы, основанный на легировании ваАг. и других прямозонных соединений А3В5 изовалентными примесями. Отличительная особенность этого класса примесей состоит в том, что они обладают сходной структурой внешних электронных оболочек и той же валентностью, что и замещаемые ими атомы матрицы. По сравнению с электрически активными примесями нзовалентные примеси вносят относительно малое возмущение в электронный спектр полупроводника

Количество избыточного мышьяка, определяющее концентрацию антиструктурных дефектов, а после отжига - концентрацию и размер кластеров А5 в слоях СаАя, можно увеличивать путем уменьшения температуры эпитаксии. Однако при температурах ниже 200°С происходит ухудшение кристаллического совершенства слоев, что на практике накладывает ограничение на предельно достижимую концентрацию избыточного мышьяка. Исследования слоев СаАв, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии при 200°С, показали [31, 35], что изоваленгное легирование индием приводит к дополнительному увеличетио характеристического оптического поглощения, связанного с антиструкгурными дефектами мышьяка (рис.8), то есть к увеличению избытка мышьяка в материале. Это увеличение, как можно
Рис.8. Поглощение, связанное с антиструхтурными дефектами лышьяка, в слоях СлЛ<: и СаАв:1п, выращенных при низкой температуре.Г'-С-’'-
видеть из рис.8, эквивалентно понижению температуры эпитаксии на.~20°С. Рснтгено-дифракциошше исследования показали, что изовалентное легирование индием вызывает увеличение параметра решетки слоя как за счет разницы размеров атомов индия к галлия, так и за счет увеличения концентрации антиструктурных дефектов мышьяка. Несмотря на повышение избытка мышьяка и на увеличение рассогласования параметров решетки