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

Краткое описание

Чалдышев, Владимир Викторович.
Изовалентное легирование : Управление электронными свойствами слоев GaAs и GaSb путем воздействия на систему примесей, точечных дефектов и наноразмерных кластеров : диссертация ... доктора физико-математических наук в форме науч. докл. : 01.04.10. - Санкт-Петербург, 1999. - 51 с.; 20х15 см.
Оглавление диссертациидоктор физико-математических наук в форме науч. докл. Чалдышев, Владимир Викторович
Актуальность темы. Арсенид галлия и другие соединения А'В5 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 большинстае полупроводников А335 этот способ позволяет легко изменять тип проводимости материала и варьировать его удельное сопротивление в широких пределах. Несмотря иа то, что традиционый подход универсален и хорошо разработан, он имеет ряд ограничений. Часть таких ограничений связана с электрической активностью собственных точечных дефектов в полупроводниках А'В5. Например, в антимониде галлия важную роль играют так называемые "природные" акцепторы, концентрация которых составляет Ю14 - 10" см-3. В арсенвде 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 гамокомиенсашш и ухудшают параметры материала. Упомянутые явления :4условлеиы фундаментальными причинами и проявляются при любых современных технологиях получения слоев СаАя и баБЬ.
Обычным требованием при традиционном подходе к формированию свойств слоев СаАа я других полупроводников является низкая концентрация собственных точечных дефектов. При выращивании слоев методом молекулярно-лучевой эпитаксин этому требованию соответствует температура роста Т, ~ 600'С. При понижении температуры роста концентрация собственных точечных дефектов быстро увеличивается и при Т5 = 200°С достигает 10® см-3, вследствие захвата в растущий слой избыточного мышьяка. Последующий'■ отжиг- эпитаксиалышх слоев приводит к преципитации избыточного мышьяка и формированию системы наноразмерных кластеров полуметалла А я, встроенных в кристаллически-совершенную матрицу СаАя. 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 оптоэлектроштых 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 наноразмерных кластеров в слоях арсенида и антимонида галлия, получаемых с помощью различных эшпаксиальных 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 целей.
На рубеже 70х - 80х годов М.Г.Мильвидсхим с сотр. был предложен новый подход к решению этой проблемы, основанный на легировании ваАг. и других ирямозонных соединений Л3В5 юавалентными 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 изопалентные примеси вносят относительно малое возмущение в электронный спектр полупроводника. В случае прямозонных полупроводников АЭВ5, таких как ОаАэ и СаЗЬ, введение изовалентной примеси (например, 1п) не должно приводить к появлению новых локальных уровней в запрещенной зоне. Однако можно ожидать, что влияние изовалентных примесей на процесс роста кристалла и взаимодействие этих примесей с собственными точечными дефектами непосредственно в твердой фазе должно приводить к изменению системы дефектов и примесей в материале.
Первые систематические исследования иэовалентного легирования прямозонных полупроводников А3В5 были проведены при выращивании легированных нвдием монокристаллов арсенвда галлия методом Чохральского. Было обнаружено, что легирование ивдием является эффективным методом снижения плотности дислокаций в материале. Полученные экспериментальные доказательства существования взаимодействия изовалентных примесей с дефектами структуры объемных монокристаллов послужили толчком к началу систематических исследований иэовалентного легирования эпнтаксиальных слоев соединений А3 В5 в ГИРЕДМЕТ, МИТХТ нм.М.В.Ломонс^ова, ИФП СО АН, ФТИ им. А.Ф.Иоффе и послужили отправной точкой для данной работы.
Цель работы состояла в выяснении основных закономерностей влияния изовалентнного легирования на электронные свойства слоев СаАв БаБЬ, определении главных физических причин а механизмов этого влияния, изучении особенностей, связанных с химической природой примесей, методом и условиями получения слоев.