связанные с имплантированной примесью
Интерес к бинарным полупроводниковым соединениям определяется возможностью их использования в оптоэлектронике для создания активных оптических элементов: светодиодов, инжекционных лазеров, лазеров с продольной оптической накачкой. Все больший акцент в дальнейшей работе делается на поиск и создание материалов, эффективно излучающих свет в сине-фиолетовой области спектра. С этой точки зрения перспективны широкозонные полупроводниковые соединения типа АШВУ и АПВУ1, в том числе нитрид галлия и селе-нид цинка.
Основные требования, в частности, к перспективным светодиодам заключаются в высокой эффективноети преобразования электрической энергии в световую и малых рабочих напряжениях. Для этого необходимо создание достаточно тонких и хорошо проводящих слоев п~ и р-типа. С увеличением же ширины запрещенной зоны в полупроводниковых соединениях возрастает тенденция к самокомпенсации, вследствие чего равновесными методами легирования не удается инвертировать тип проводимости. Так, например, нитрид галлия получается низкоомным птипа, а при легировании примесями П группы — полуизолирующим а-типа.
Одним из выходов из создавшейся трудности может быть применение сильно неравновесных методов легирования, например, ионной имплантации, достоинством которой является то, что концентрация примеси, вводимой с высокой степенью чистоты, не ограничена пределом растворимости. Немаловажную роль при изготовлении приборов играют и такие преимущества ионной имплантации, как возможность точного задания профиля концентрации примеси по глубине и по площади, подвергнутой легированию, и возможность создания очень тонких инвертированных слоев полупроводников. Однако наряду с преимуществами метод обладает рядом недостатков: I) создание большого количества дефектов структуры при облучении, 2) необходимость проведения отжига для устранения радиационных дефектов и активации примеси. Все это, вместе взятое, определяет интерес к исследованию ионной имплантации в широкозонные полупроводниковые соединения.
Люминесценция £аА/ как нелегированного, так и легированного различными примесями хорошо изучена, о чем свидетельствуют приводимые ниже литературные данные. Механизмы излучательной рекомбинации достаточно достоверно идентифицированы< вблизи края запрещенной зоны. Для излучательной рекомбинации донорно-акцеп-торных пар (ДАП) до сих пор не установлена природа акцепторов и не исключается влияние остаточных примесей.
Наиболее изученными примесями в нитриде галлия являются элементы П группы: Ве, Со£. Для них исследована примесная люминесценция и показана возможность компенсации низкоомной проводимости п-типа при равновесных методах легирования нитрида галлия. Приводимые в литературе оптимальные с точки зрения примесной люминесценции температуры источников легирования указывают на существование оптимальных концентраций примеси. В ряде работ была показана возможность получения примесной люминесценции методом ионной имплантации, и для цинка была определена оптимальная концентрация внедренных ионов.
Однако для таких перспективных примесей как Мд, Сс1 и Р оптимальные концентрации не определены. В связи с этим ставятся задачи: исследование люминесцентных свойств нитрида галлия и установление их зависимостей от параметров ионной имплантации (доза, концентрация и температура последующего отжига) — определение степени оптической активации примеси в процессе ионной имплантации и отжигаисследование центров, включающих радиационные дефекты и обусловливающих длинноволновые полосы люминесценции.
Несмотря на обширные литературные данные о люминесценции селенида цинка, ряд вопросов остается неизученным или по ним существуют противоречивые мнения. В области экситонной люминесценции глубоким нейтральным акцептором, входящим в состав экситонног с/ примесного комплекса (ЭПК), обусловливающего линию (2.784 эВ), может являться нейтральная вакансия цинка (VI) или атом меди в П узле цинка (Сигп). В состав ДАП, дающих характерные 6? — и Р-полосы, согласно литературным данным, входят акцепторы ¿-г^ и Л/з^/?' соответственно. Однако эти полосы ведут себя по-разному при высокотемпературном отзшге в расплаве цинка, что, видимо, указывает на участие разных точечных дефектов, а не только на различие примесных атомов. В длинноволновой области спектра, в основном, установлено влияние, а участие других точечных дефектов, таких как и изучено недостаточно хорошо. Вместе с тем показано, что полосы люминесценции в области 610 и 650 нм связаны с дефектами в подрешетке цинка, а полосы 54−6 и 585 нм — с дефектами в подрешетке селена.
Наряду с широким использованием метода ионной имплантации для создания светоизлучающих структур на основе, особенности дефектообразования при ионном облучении мало исследованы, и не показано влияние радиационных дефектов на люминесцентные свойства структур. Различная термообработка при одинаковой имплантации дает различные люминесцентные характеристики Т^пЗь, что указывает на участие различных собственных точечных дефектов.
В связи с этим интерес представляет исследование люминесценции селенида цинка, имплантированного ионами, влияющими на стехиометрию исходного материала, что позволило бы дифференцировать вклад различных собственных точечных дефектов и комплексов с участием примесных атомов.
В работе исследована катодолюминесценция эпитаксиальных слоев нитрида галлия, имплантированных ионами А/+, Р+, Мд', 2п+, Со1* Аи+ в диапазоне доз ~ Ю12 * 6. Ю15 см~2. Определены оптическое пропускание и проводимость ионно-имплантированных слоев 6гЭ//. С целью идентификации доминирующих радиационных дефектов измерены спектры обратного рассеяния ионов Н+и Не+.
В диссертации проведено исследование влияния технологических особенностей на оптическое качество селенида цинка, выращенного из расплава по Бриджмену, и исследована фотолюминесценция совершенных монокристаллов Zя5e,-облученных и имплантированных ионами Н +, О^З*. Проведен анализ спектров фотолюминесценции ZtlSe, легированного Ге.
Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем :
— установлено, что ионная имплантация приводит к компенсации исходной низкоомной проводимости нитрида галлия Птипадоминирующими радиационными дефектами после высокотемпературного отжига бзА/ являются межузельные атомы 6? а ;
— оптимальные с точки зрения интенсивности люминесценции концентрации примесей в зависят от местоположения примесных атомов в кристаллической решетке и нестехиометричности ИСХОД.
ТО о ных образцоврост концентрации выше 10х см ° сопровождается увеличением энергии температурной активации примеси в процессе отжига, что приводит к уменьшению доли оптически активных примесных атомов;
— установлено, что в зависимости от влияния на стехиометрию кристалла имплантация различных ионов генерирует «вторичные» дефекты или в подрешетке Z/?, или в подрешетке 5е, что позволяет идентифицировать различные полосы фотолюминесценции селенида цинкаизоэлектронные «Те примеси О и, увеличивающие нестехиометричность 2. П 5е, вызывают наибольшую деградацию спектров ФЛ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии.
Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:
X. Установлено, что ионная имплантация приводит к значительной компенсации исходной низкоомной проводимости GaN п — типа и генерации радиационных дефектов, создающих глубокие акцепторные уровни и эффективные каналы излучательной рекомбинации с энергией фотонов ~1,7 и~2,2 эВ. Полоса 1,7 эВ обусловлена центрами, включающими отдельные точечные дефекты. За полосу 2,2 эВ ответственны центры, представляющие собой комплексы точечных дефектов. Результаты исследования обратного рассеяния ионов свидетельствуют о высокой концентрации межузельных атомов галлия.
2, Определены оптимальные, с точки зрения интенсивности люминесценции, концентрации примесей в GaN, зависящие от местоположения примесных атомов в кристаллической решетке и нестехиомет-ричности исходных образцов. Для примесей П группы, занимающих уз.
ТйЧ лы галлия, оптимальная концентрация составляет ~ ЗЛО см, для фосфора, занимающего узел азота, ~ Ю19 см" «^ (значение, близкое к концентрации V^ в исходном материале). Рост концентрации выше Ю19 см» ~^ сопровождается увеличением энергии температурной активации, что приводит к уменьшению доли оптически активны! примесных атомов. Доля оптически активной примеси после оптимального отжига при Ю00°С существенно меньше, чем при равновесном легировании.
3. Установлено, что в зависимости от влияния на исходную стехиометрию кристалла имплантация различных ионов генерирует 'Ьто^ич-ные" дефекты или в подрешетке Z/? или в подрешетке Se. При облучении /-квантами, ионами И и Ah возникают дефекты в обеих подрешетках с преобладанием Vjn и усиливаются полосы люминесценции 580 и 640 нм. Ионная имплантация ZO уменьшает концентрацию Vin и доминируют «вторичные» дефекты в подрешетке Se, что приводит к усилению полосы 580 нм. Ионы 0*" и S* создают преимущественно п и * ответственный за фотолюминесценцию в области 580 нм. Изоэлектронные примеси О и S, увеличивающие нестехиометричность Znie, вызывают наибольшую деградацию люминесценции.
В заключение считаю своим приятным долгом выразить благодарность моим научным руководителям В. С. Вавилову, А. А. Гиппиусу и М. П. Кулакову за постоянное внимание и помощь в работе, Ю.А.Осипья-ну за полезное обсуждение результатов, а также В. А. Дравину, А. В. Кузнецову, Н. Г. Мартыненко, В. Я. Павлову, М. М. Слетову, А.В.Спи-цыну, А. В. Фадееву, В. Я. Чуманову за содействие в выполнении экспериментов.
Результаты проведенных исследований опубликованы в 7 работах [197−203], докладывались на Всесоюзной конференции по физике соединений (Новосибирск, 1981 г.), Европейской конференции по росту кристаллов (Прага, 1982 г.), УП Международной конференции по ионной имплантации (Вильнюс, 1983 г.), У Всесоюзном совещании «Физика и техническое применение полупроводников (Вильнюс, 1983 г.).
— 142.
.
В соответствии с задачами, поставленными во введении, основная цель работы: во-первых, исследование фотолюминесценции нитрида галлия, ионно-имплантированного примесями, дающими высокую эффективность излучательной рекомбинации для определения оптимальных доз ионного внедренияво-вторых, изучение особенностей ионной имплантации по сравнению с равновесными методами легирования и выделение вклада радиационных дефектов в рекомбинационные процессыв-третьих, исследование механизмов вторичного дефекто-образования при ионном облучении селенида цинка, изменяющем стехиометрию исходного материала.
Для осуществления поставленных задач была создана установка для изучения фотои катодолюминесценции с энергией электронов от 3 до 10 кэВ, позволяющая регистрировать спектры люминесценции в диапазоне от 300 до 830 нм при температурах 4.2, 77 и 300°К. Исследованы спектры катодолюминесценции в зависимости от уровня возбуждения и глубины возбуждаемого слоя ваЛ/, имплантированного ионами Л/*, Р1А$гпМ, А£ Аи в концентрации Ю*7 * Ю20 см" 3 после отжига в потоке Л//У3 при температурах 800-Ю50°С и спектры фотолюминесценции 2.пЗе.,-облученного и имплантированного ионами Z/?, О*,.