Модифікація дефектної структури напівпровідникових сполук А2В6 та А3В5 високочастотним електромагнітним випромінюванням

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Як відомо, власні та домішкові дефекти, а також комплекси на їхній основі, визначають електричні та оптичні властивості напівпровідників сімейства А2В6 і А3В5, такі як спектри випромінювання та поглинання, провідність, ефекти захоплення та рекомбінації нерівноважних носіїв. Варіюючи концентрацію та склад дефектів, можна цілеспрямовано керувати цими властивостями, що є однією з найважливіших задач напівпровідникової електроніки.

Ефективним і перспективним підходом до вирішення цього завдання є використання надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання для спрямованої та керованої перебудови дефектної структури напівпровідників. Об'ємний характер поглинання НВЧ випромінювання напівпровідниковим матеріалом дозволяє здійснювати протікання необхідних реакцій по всій товщині матеріалу, а з використанням імпульсної обробки - робити різні структурні трансформації без змін агрегатного стану основної маси матеріалу. Використовуючи НВЧ опромінювання, можна керувати параметрами не лише напівпровідників, а й готових приладових структур. Проте, для вирішення сформульованого завдання необхідне чітке розуміння природи процесів, які відбуваються в кристалі при дії на нього НВЧ випромінювання різної частоти та потужності.

При очевидних перевагах НВЧ обробок у порівнянні з іншими активними впливами (швидкі термічні відпали, лазерні та радіаційні обробки) як способу спрямованого впливу на різні типи дефектів у напівпровідниках, розрізненість і обмеженість існуючих на сьогодні експериментальних результатів не дозволяє створити послідовну картину впливу електромагнітного випромінювання НВЧ- діапазону на дефектну структуру напівпровідників і встановити особливості перебудови в залежності від режимів опромінювання. В цьому контексті подальший розвиток експериментальних досліджень по виявленню впливу НВЧ випромінювання на напівпровідники є безсумнівно актуальним.

Вивченню впливу випромінювання міліметрового та сантиметрового діапазону довжин хвиль на структурні недосконалості напівпровідників присвячено досить незначну кількість робіт, виконаних в основному на Si, а бінарні сполуки А2В6 і А3В5 практично не досліджені. Відзначимо, що найбільш широке розповсюдження отримала думка, що стимульована НВЧ випромінюванням трансформація дефектної структури пов'язана з тепловою дією електромагнітної хвилі. При цьому неочевидні фактори існування нетеплового впливу мікрохвильового поля на процеси структурної перебудови в напівпровідниках, як правило, не враховувалися. В той же час саме нетепловий вплив електромагнітного поля визначає перспективи застосування мікрохвильового випромінювання для технологічних цілей.

З цих позицій особливий інтерес становить собою вивчення процесів трансформації дефектів при НВЧ випромінюванні в приповерхневих областях напівпровідників із діелектричними та пористими шарами, які широко використовуються в напівпровідниковій мікроелектроніці. Питання про механізми перетворення дефектів у цих об'єктах під дією мікрохвильового опромінювання до останнього часу не досліджене.

Отже, на сьогодні реальність ефектів впливу НВЧ випромінювання на дефектну структуру напівпровідників є безсумнівною. Проте, лишається багато питань щодо їхньої природи. До цього часу не зрозуміло, один механізм чи декілька визначають закономірності перетворення дефектної структури під впливом НВЧ обробки. З огляду на це, виконані в роботі наукові дослідження, які передбачали отримання нових результатів про структурні перетворення під дією НВЧ опромінення напівпровідникових об'єктів різної природи та можливість їх використання в практичних цілях, є безумовно актуальними.

Об`єкт дослідження: Напівпровідникові матеріали різної фізичної природи: CdS, GaAs, GaP, InP та пористий InP, гомоепітаксійні плівки на пористому InP та структури SiO2/GaAs.

Предмет дослідження: Ефекти стимульованої НВЧ впливом трансформації дефектно-домішкових центрів напівпровідникових матеріалів.

Метою роботи є комплексне експериментальне дослідження впливу НВЧ випромінювання різної потужності та частоти, на еволюцію дефектної структури напівпровідників різної природи і встановлення загальної закономірності у перебудові їх домішково-дефектних центрів.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити такі задачі:

1. Дослідити зміни рекомбінаційних процесів у бінарних сполуках CdS, GaAs, GaP, InP, при варіюванні параметрів НВЧ опромінювання та співставити їх з термічним відпалом.

2. Дослідити вплив морфологічної та структурної неоднорідності приповерхневих шарів напівпровідників на перебудову домішкових і власних дефектів при НВЧ опроміненні.

3. Дослідити вплив слабких магнітних полів на випромінювальну рекомбінацію в напівпровідниках з різною морфологією поверхні та співставити з дією мікрохвильового опромінення на ті ж матеріали.

1. Короткий літературний огляд результатів, які відносяться до дисертаційної роботи

Його основу складає систематизація даних про основні види дефектів у CdS, GaAs, GaP, InP, які є центрами випромінювальної рекомбінації. Проведений аналіз свідчить про те, що хоча в літературі накопичений великий обсяг інформації про дефекти і особливості їх проявлення в спектрах ФЛ, мікроскопічна природа локальних центрів, процеси їх утворення та руйнування до кінця не вивчені. В заключному підрозділі розглядається питання впливу НВЧ опромінення на еволюцію структурно-домішкових неоднорідностей, дифузійні та релаксаційні процеси в напівпровідниках. Визначається коло невирішених питань для такого типу активних впливів.

2. Методи дослідження

Особливості технології підготовки зразків різних напівпровідникових матеріалів, досліджуваних в роботі: отримання шарів SiO2 на поверхні GaAs, електрохімічне формування пористого шару на фосфіді індію, особливості мікрохвильової обробки із застосуванням гіротронного та магнетронного випромінювання.

Основним експериментальним методом дослідження був фотолюмінесцентний метод. За допомогою комп'ютерного моделювання з використанням відповідних прикладних програмних пакетів проводились обробка та перерахування спектральних даних ФЛ. Крім цього, використовувалися також інші сучасні вимірювальні методики, що включають визначення структурних характеристик напівпровідників (растрова електронна, атомно-силова мікроскопія, рентгенодифракційний метод), а також методи дослідження елементного та фазового складу (Оже- та рентгенівська фотоелектронна спектроскопії) та метод вольт-амперних характеристик.

3. Дослідження домішково-дефектної ФЛ в бінарних напівпровідниках при низькоінтенсивних НВЧ впливах (?100 Вт/см2) на частоті f=2,45 ГГц. та при потужних впливах (>1000 Вт/см2) на частоті f=84 ГГц.

Опромінення проводилось на повітрі.

Шляхом порівняння спектрів ФЛ вихідних та опромінених зразків, було встановлено, що при малих потужностях НВЧ випромінювання, незалежно від їхньої природи, обробка супроводжувалася трансформацією дефектної структури (як правило, асоціативних комплексів власний дефект-домішка), яка залежала від вихідного впорядкування кристалічної структури та наявності швидко дифундуючих неконтрольованих домішок. Чим досконаліша структура напівпровідника, тим слабше проявляються ефекти мікрохвильової обробки.

Експериментально встановлено, що НВЧ обробка викликає зміни в спектрах ФЛ внаслідок стимульованого гетерування центрів безвипромінювальної рекомбінації, розпаду та утворення центрів випромінювальної рекомбінації.

Випливає ще один нетривіальний результат мікрохвильового впливу: це немонотонний характер залежності інтенсивності смуги з hvmax=1,97 еВ, яка утворена донорно-акцепторними (ДА) парами [VCd+Cdi] або [CuCd+Cdi]. Згасання цієї смуги при тривалій експозиції опромінення супроводжується ростом інтенсивності смуг, утворених ізольованими акцепторами, і в деяких випадках виникненням нової смуги з hvmax=1,6 еВ, яку пов'язують із асоціативною парою [CuCd-+D+III,VII].

Враховуючи те, що аналіз причин спостережуваних змін в дефектній структурі напівпровідника вимагає оцінки параметрів теплових полів, які виникають при опроміненні, для з'ясування ролі термічного фактора в перебудові точкових дефектів були проведені контрольні експерименти з впливу термовідпалу (ТВ) на спектр ФЛ CdS, які показали відмінності у процесах перебудови локальних центрів при цих обробках. Проведені дослідження з впливу ТВ на смуги домішкової ФЛ і теоретичні оцінки необхідної потужності НВЧ випромінювання (порядку декількох кіловат) для досягнення температури, при якій спостерігалися помітні зміни в спектрах ФЛ, свідчать про те, що спостережувані зміни в дефектній структурі CdS пов'язані з нетепловою дією електромагнітного випромінювання на матеріал.

Додаткові дані про особливості модифікації дефектної структури при мікрохвильовому опромінюванні були отримані при дослідженні спектрів домішкової ФЛ в GaAs.

В спектрах ФЛ спостерігались дві смуги: з hvmax=1,4 еВ (яку зазвичай пов'язують з точковим дефектом, утвореним неконтрольованою домішкою міді CuGa), положення максимуму якої не залежало від тривалості експозиції, та широкої смуги, утвореної принаймні двома локальними центрами. Максимум цієї смуги під дією опромінення зміщується від 1,4 еВ до 1,3 еВ. Смугу з hvmax=1,32 еВ пов'язують з ДА парою [CuGa+Te], а смугу з hvmax=1,4 еВ - з локальними центрами на поверхні.

Спостережувані зміни спектрів домішкової ФЛ при НВЧ опроміненні можуть бути пояснені збільшенням концентрації ДА пар [CuGa+Te] за рахунок зменшення концентрації центрів CuGa, а також зменшенням каналу випромінювальної рекомбінації, пов'язаного з поверхнею.

Найбільш реальною фізичною причиною розпаду дефектних комплексів і утворення нових є діелектричні втрати в напівпровідникових матеріалах. Якщо за рахунок взаємодії з електромагнітним випромінюванням енергія передається коливальним ступеням вільності, то відбувається ніби “локальний розігрів” дефектного центру, при якому температура гратки кристала майже не змінюється. Обмін коливальною енергією між граткою та центром з частково порушеним зв'язком є затрудненим через відмінність локальних мод дефекту та об'ємних фононів. Останнє дозволяє очікувати досить значних амплітуд коливань, що може призвести до розпаду центра і утворення нового, навіть у відсутності можливого резонансного поглинання електромагнітного випромінювання. Ефективність трансформації дефектної структури визначається вихідною дефектністю кристала, наявністю деформованих напружених зв'язків, які є потенційним фактором виникнення нових дефектів. Їх концентрація є максимальною в приповерхневих шарах, які мають підвищений рівень діелектричних втрат.

В заключній частині розділу аналізуються причини та особливості модифікації дефектної структури в сполуках GaAs, GaP, InP, підданих потужному НВЧ опроміненню на частоті f=84 ГГц. Аналіз даних домішкової ФЛ дозволяє зробити висновок про те, що перебудови в дефектній структурі напівпровідників пов'язані з комплексами власний дефект-домішка.

4. Результати досліджень трансформації домішково-дефектних центрів, відповідальних за ФЛ в області 0,8-1,4 еВ, в GaAs з напиленим діелектричним шаром SiO2, під дією НВЧ опромінення

Методом Оже-електронної спектроскопії виявлено, що твердофазні взаємодії між шаром SiO2 та GaAs можна розглядати як процес переважного видалення Ga, що призводить до підвищення концентрації вакансій VGa у приповерхневій області.

Мікрохвильове опромінювання збіднює поверхню кристала атомами As, що супроводжується збільшенням концентрації кисню і вуглецю в приповерхневому шарі GaAs. Обидві домішки є електрично-активними в GaAs і можуть впливати на спектри домішково-дефектної ФЛ. Тому особливості перебудови домішково-дефектної структури SiO2/GaAs, підданої НВЧ опроміненню, вивчалися на зразках з різним ступенем первинної дефектності.

Люмінесцентні дослідження показали, що досліджувані зразки можна розділити на дві групи. Для зразків 1-ої групи інтенсивність вихідних смуг люмінесценції в кілька разів вище, ніж для 2-ої, а в спектрах ФЛ домінує смуга з hv' =1,04 еВ. Смуги з hv'm=l,04 еВ і hv''m=l,30 еВ, пов'язують з присутністю в GaAs неконтрольованої домішки міді.

Спектри ФЛ підтверджують висновок про те, що трансформація дефектної структури при мікрохвильовому опромінюванні напівпровідника залежить від його “первинної дефектності”, яка забезпечує стимульовану перебудову дефектів: ріст їх концентрації, взаємне перетворення або розпад асоційованих комплексів. Спостережуваний немонотонний характер зміни інтенсивності смуги ФЛ з hv'm=l,04 еВ в залежності від тривалості експозиції вказує на спільну дію різних факторів, які можуть мати місце при НВЧ обробці.

Було показано, що спостережувані зміни в спектрах домішкової ФЛ не пов'язані з неоднорідностями в кристалі. Відомо, що області з високим вмістом дефектів і домішок є ефективними центрами поглинання енергії НВЧ хвилі. Вважаючи, що граничні розміри таких включень не

перевищують 100 мкм, а самі включення є сферичними, була проведена оцінка максимальної температури розігріву:

,

де Т0 - температура на межі поділу напівпровідник - “включення”; РТ - густина потужності тепла, яке виділяється в області включення при поглинанні НВЧ енергії; k - коефіцієнт теплопровідності. Було визначено, що Tmax?Т0. Таким чином, не виникають градієнти температури, які могли б впливати на розпад і дифузійний перерозподіл домішок та дефектів. Зроблений висновок підтверджують і літературні дані по вивченню впливу термічного відпалу на люмінесценцію GaAs з плівкою SiO2.

Для з'ясування ролі йонізаційних процесів у перебудові дефектних центрів, що пов'язані з розігрівом носіїв струму електромагнітним випромінюванням, були виконані розрахунки зміни енергії електронів у полі НВЧ хвилі, що підтвердили відсутність вкладу цього механізму в перебудову мікроструктури кристалу.

Дані досліджень Оже-електронної спектроскопії, які підтверджують вплив НВЧ опромінювання на дифузійні процеси, що протікають на межах поділу фаз SiO2-GaAs, дозволяють запропонувати інший підхід для пояснення всієї сукупності результатів ФЛ. Він базується на стимульованому НВЧ обробкою внеску у випромінювальну рекомбінацію домішок, які містяться в діелектричному шарі. З літератури відомо, що однією із основних неконтрольованих домішок в SiO2 є Cu. Збільшення діелектричних втрат на дефектах структури оксидного шару та виникнення пов'язаних з ним градієнтів температури і власних механічних напружень призводять до збільшення дифузійних потоків атомів металу в приповерхневий шар, збагачений вакансіями, що й забезпечує збільшення концентрації центрів випромінювальної рекомбінації. Спостережуване згасання ФЛ може бути зумовлене як зміною в складі рекомбінаційних центрів (найімовірніший механізм цих змін буде аналізуватися в наступному розділі), так і змінами спектрів поверхневих електронних станів, викликаних стимульованими НВЧ обробкою порушеннями стехіометрії, і, можливо, процесами окислення. В останньому випадку стає зрозумілою відсутність змін у спектрах ФЛ, пов'язаних з киснем.

5. Результати порівняльних досліджень пористого та епітаксійного InP, вирощеного на пористій підкладці, які були піддані НВЧ та магнітній обробці

Дослідження залежності інтенсивності домішкової ФЛ від тривалості НВЧ обробки показали, що інтенсивність домішкових смуг з hvmax=1,02 еВ; 1,14 еВ і 0,82 еВ змінюється симбатно, а характер цих змін в залежності від дози опромінення є хвилеподібним. Було встановлено, що спостережувані зміни в спектрах домішкової ФЛ є відмінними від перебудови ФЛ спектрів, стимульованої термічним відпалом, і корелюють зі змінами в спектрах ФЛ por-InP, підданого дії слабкого магнітного поля (В=0,2 Тл) (рис. 6), що дозволяє зробити висновок про спільність механізмів перебудови домішково-дефектної структури при досліджуваних впливах.

Зроблений висновок був підтверджений дослідженнями епітаксійних шарів, вирощених на пористих підкладках InP. Вважається, що слабкі магнітні поля можуть знімати заборони на електронні переходи із зміною спіну, наслідком чого є послаблення зв'язків у дефектних комплексах, а руйнування та генерація дефектів відбуваються за рахунок теплової та пружної енергії кристалічної гратки.

Внаслідок розпаду утворюються нерівноважні власні та домішкові точкові дефекти, які мігрують в полях пружних напружень в приповерхневій області напівпровідника і можуть вступати в реакції з іншими дефектами, що призводить до утворення нових центрів, або захоплюватися поверхнею (аналогічно до гетерування точкових дефектів, яке спостерігається при підвищених температурах), що призводить до їх видалення, в результаті чого вони не беруть участі у формуванні ФЛ спектрів.

Роль магнітного поля НВЧ випромінювання в структурній перебудові підтверджується також результатами досліджень стимульованої випромінюванням активації поверхні, гетеруванням дефектів, збагаченням приповерхневих шарів киснем, дифузією атомних компонент гратки напівпровідників і домішок, які якісно подібні діям слабких магнітопольових обробок.

рекомбінаційний надвисокочастотний напівпровідник випромінювальний

Висновки

Процес перебудови домішково-дефектних станів у приповерхневих шарах CdS, GaAs, GaP, InP, а також у структурах на їх основі під дією мікрохвильового опромінювання НВЧ діапазону не є однозначно єдиним для всіх об'єктів обробки. Він також залежить від режиму обробки зразків та їхнього вихідного домішково-дефектного складу. Підсумовуючи результати досліджень, було зроблено наступні висновки:

1. Показано, що при великих потужностях (~1 кВт/см2) відбувається розігрів носіїв заряду опроміненої структури і процеси, пов'язані з нетермічними механізмами не є значними, а всі зміни дефектних станів при цьому відбуваються за механізмом, подібним до того, що має місце при термічному відпалі зразка. Якщо ж потужність мікрохвильового випромінювання не є великою (<100 Вт/см2), то ефекти, пов'язані із нетепловими факторами, стають більш помітними, і посилюються із зменшенням густини потужності джерела випромінювання електромагнітної хвилі.

2. Встановлено, що стимульована НВЧ обробкою трансформація домішково-дефектного складу в сполуках CdS, GaAs, GaP, InP відбувається внаслідок наступних процесів: гетерування домішок і дефектів, розпаду асоціативних дефектів і виникнення нових, в утворенні яких активну участь беруть неконтрольовані домішки.

3. Встановлено, що при НВЧ опроміненні просторово-неоднорідних структур SiO2/GaAs джерелом неконтрольованих домішок, зокрема атомів Cu, є діелектричний шар.

4. Виявлено, що НВЧ випромінювання змінює стехіометрію та морфологію поверхні напівпровідників і сприяє підвищенню концентрації домішок (вуглець, кисень, мідь) в приповерхневих шарах напівпровідників.

5. Вперше виконано дослідження впливу НВЧ обробок на спектр локальних центрів в пористому InP та епітаксійних плівках на його основі і показано, що основним фактором чутливості цих матеріалів до дії електромагнітного випромінювання є комплекси, до складу яких входять власні точкові дефекти (вакансії).

6. Виявлений вплив слабких магнітних полів на випромінювальну рекомбінацію в por-InP та епітаксійних плівках, вирощених на пористому InP.

7. На основі уявлень про можливі механізми стимульованого мікрохвильовим опромінюванням дефектоутворення і виконаних оцінок зроблено висновок про найбільш імовірні причини нетеплової перебудови мікроструктури дефектів.

8. Отримані в роботі результати розширюють уявлення про вплив НВЧ опромінення на напівпровідники і приладові структури на їх основі та можуть бути використані при розробці технологічних режимів їх обробок, що було продемонстровано на прикладі діодів з бар'єром Шотткі.

Література

1. Arsentyev I.N., Bobyl A.B., Konnikov S.G., Tarasov I.S., Ulin V.P., Shishkov M.V., Boltovets N.S., Ivanov V.N., Belyaev A.E., Konakova R.V., Kudryk Ya.Ya., Kamalov A.B., Lytvyn P.M., Markovskiy E.P., Milenin V.V., Red'ko R.A. Porous nanostructured InP: technology, properties, application // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2005. - Vol.8, №4. - P.95-104.

2. Red'ko R. Microwave irradiation of gallium arsenide // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics.- 2006. - Vol.9, №1. - P. 97-98.

3. Ермолович И.Б., Миленин В.В., Конакова Р.В., Редько Р.А. Влияние микроволнового облучения на излучательную рекомбинацию соединений А3В5 // Физика и химия обработки материалов. - 2006. - №5. - С.13-18.

4. Ермолович И.Б., Миленин В.В., Редько Р.А., Редько С.Н. Влияние микроволнового облучения на излучательную рекомбинацию CdS // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2006. - T.7, №8. - C.71-75.

5. Єрмолович І.Б., Конакова Р.В., Мілєнін В.В., Охріменко О.Б., Редько Р.А. Модифікація дефектної структури SiO2/GaAs високочастотним електромагнітним випромінюванням // Фізика і хімія твердого тіла. - 2006.- Т.7, №4. - С. 618-621.

6. Ермолович И.Б., Редько Р.А. Влияние кратковременного СВЧ облучения CdS кристаллов на спектр центров излучательной рекомбинации в них. Материалы 6-й международной конференции „ВИТТ”, Минск. - 2005.- С.36-38.

7. Редько Р.А. Микроволновое облучение арсенида галлия // Труды 5-й международной научно-технической конференции „МЭПП”, Баку-Сумгаит. - 2005. - С.154-156.

Размещено на Allbest.ru