Легированные полупроводники

Абрикосов Н.Х., Земсков В.С. (отв. ред.)

Наука, 1975 г.

ПОВЕДЕНИЕ ГЕРМАНИЯ В АРСЕНИДЕ ИНДИЯ, ВВЕДЕННОГО МЕТОДОМ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

М. Л. Гусева, И. В. Зотова, А. В. Коваль, Д. Н, Наследов

Поведение Ge и Si в InAs исследовалось в работах [1, 2], выполненных на полпкристаллических слитках. Ge, введенный в InAs в процессе выращивания расплавов или диффузий, является мелким донором, энергия активации которого не определена.

Вместе с тем известно, что элементы IV группы в Α^ΠΙΒ^ν — амфотерные примеси, они могут занимать узлы субрешеток обоих атомов в соединении, и локализоваться в соседних узлах решетки в виде электрически нейтральной пары (это оказывается наиболее энергетически выгодным [31).

Логично предположить, что примесные атомы занимают преимущественно узлы той субрешетки, атомы которой имеют большие ковалентные радиусы, и их вакансии более доступны для посторонних атомов. В GaAs наблюдается тенденция Ge заполнять преимущественно вакансии Ga, хотя значительная доля примесных атомов попадает также в вакансии As.

Для InAs эта тенденция, по-видимому, еще сильнее, так как ковалентный радиус In еще больше, чем у Ga. Кроме того, известно, что энергии активации диффузии Ge и элементов II группы в арсениде индия одинаковы. что свидетельствует о том, что Ge, так же как и элементы II группы, диффундирует по субрешетке атомов In.

Так как понное внедрение сопровождается образованием большого числа вакансий обоих типов, интересно было выяснить, как будет вести себя Ge в этом случае и как повлияют на его поведение условия отжига.

Методика эксперимента. Для исследования были выбраны монокристаллы InAs, выращенные по методу Чохралъского. Размеры образцов 5x12x1 мм³, Имплантация проводилась в плоскости, ориентированные в направлении [111]. Перед имплантацией образцы механически полировали и травили для удаления нарушенного слоя в растворе брома в метиловом спирте. Электрические параметры образцов приведены в таблице, где А — концентрация электронов, Б — подвижность электронов.

Энергия пучка ионов равнялась 40 кэв, дозы облучения варьировались от 10 до 1000 мкк/см². Строгая ориентация поверхности образца относительно пучка ионов не проводилась. Во время облучения температура образцов была равна 300° К. Глубина проникновения имплантированных ионов при этих условиях составляла около ОД мкм.

После облучения образцы отжигали в кварцевых откачанных до 10^-5 мм рт. ст. и отпаянных ампулах малого объема при температурах 200, 400, 600 и 700° С в течение 15 мин. При этих температурах давление паров мышьяка над InAs меньше ОД am, но, чтобы уменьшить потери мышьяка с поверхности образцов, в ампулу добавляли порошок чистого InAs. Часть образцов при отжиге 700°С покрывалась защитной пленкой Si0₂.

Исследовалась фотолюминесценция (ФЛ) имплантированных слоев. Обоснованием для выбора метода послужило следующее:

В наших предыдущих работах было показано, что при наличии вырожденного электронного газа в InAs положение пика люминесценции однозначно определяет концентрацию свободных электронов [4].
Появление новых примесных уровней в кристалле при ионном легировании должно сопровождаться возникновением новых полос ФЛ, конечно, если эти уровни будут центрами излучательной рекомбинации.
Возбуждающий ФЛ коротковолновый свет, проникая на глубину

1 мкм, позволяет исследовать тонкий имплантированный слой, а не всю толщу кристалла. Источником возбуждения ФЛ служила вольфрамовая лампа накаливания мощностью 750 ет. Излучение анализировалось призменным монохроматором ИКМ-1 и охлаждаемым фотосопротивлением PbSe. Излучение регистрировалось с той же поверхности образца, на которую падал возбуждающий свет. Исследуемые образцы находились при 77° К. Полученные спектры коррелировались в соответствии со спектральной чувствительностью фотоприемника. Экспериментальные результаты и их обсуждение. Прежде всего была произведена бомбардировка некоторых образцов ионами инертного газа Аг⁺, чтобы определить ту роль, которую вносят радиационные нарушения в свойства имплантированного слоя. Дозы облучения и энергия пучка были такими же, как и для ионов Ge⁺.

На рис. 1 приведены спектры фотолюминесценции исходного кристалла и облученного ионами аргона.

Как было показано в работе [4], спектр 1 определяется переходом электронов из-под уровня Ферми на верх валентной зоны и положение пика при энергии 411 мэв соответствует концентрации свободных электронов в зоне проводимости 4-10¹⁶ сж“³, что полностью совпадает с холловскими измерениями (см. таблицу).

Спектр имплантированной Аг⁺ поверхности много шире, но его максимум практически не смещается (лишь для некоторых образцов наблюдается небольшой, < 5 мэв, сдвиг в сторону меньших энергий). Тип проводимости не изменился. Это свидетельствует о том, что радиационные нарушения в имплантированном слое не создают новых электрически активных центров, могущих служить поставщиком электронов в зону проводимости. Прогрев образцов при 600—700° С полностью восстанавливает свойства имплантированного слоя: полуширина спектра возвращается к первоначальной.

Затем была определена доза аморфизации для /г-InAs при имплантации кристалла ионами Ge⁺ с энергией 40 кэв. С помощью спектров отражения электронов было показано, что доза, большая 100 мкк/см¹, полностью аморфизирует поверхность. Поэтому в дальнейшем мы использовали дозы облучения интервале 10—100 мкк/см². Типичные спектры ФЛ имплантированных Ge⁺ образцов InAs—см. рис. 2.

Одновременно каждый раз снимались спектры ФЛ обратной неимплап- тированной поверхности образца, чтобы при анализе данных исключить эффект термообработки [5]/ Исследование этих спектров показало, что при кратковременном отжиге (15 мин) термообработка не вносит существенного изменения в свойства исследуемых кристаллов, и появление новых особенностей можно, по-видимому, отнести лишь за счет Ge⁺, внедренного в решетку InAs.

Из рис. 2 следует, что с ростом температуры отжига (200—400° С) спектры ФЛ смещаются в сторону больших энергии, что свидетельствует об увеличении концентрации свободных электронов [4]. Одновременно уменьшается полуширина спектров, так как происходит восстановление разрушенных областей кристалла.

Однако при температуре отжига 600° С наблюдается резкий сдвиг спектра в сторону меньших энергий и появляется резкая асимметрия спектра — плечо со стороны малых энергий. После отжига при температуре 700^СС (рис. 3) это плечо превращается в новый пик излучения, отстоящий от основного примерно па 14 мэе. Для чистых исходных кристаллов 1 и 2 положение основного пика при этом соответствует энергии перехода со дна зоны проводимости на потолок валентной зоны. Для более легированного кристалла 3 (см. таблицу) и основной и новый длинноволновый пики расположены в области больших энергий, т. е. картина смещается вслед за уровнем Ферми. Это свидетельствует о связи длинноволнового ппка с переходом из зоны проводимости на акцепторный уровень.

Полученные результаты можно объяснить исходя из амфотерной природы примесей IV группы в соединениях А^IIIВ^V.

При температурах ниже 600 С Ge заполняет наиболее предпочтительные для него вакансии In; в этом случае он становится мелким донором и тем самым увеличивает концентрацию свободных электронов. Это приводит к сдвигу пиков спектра в сторону коротких волн (рис. 2). С ростом температуры (600° С) Ge начинает замещать вакансии As, становясь акцептором. Это приводит к некоторой компенсации материала (сдвиг спектра в сторону длинных волн) и появлению излучательных переходов через этот новый акцепторный уровень (асимметрия спектра). При температуре 700° С еще большее чпело вакансий As замещается атомами Ge. и па спектрах мы видим четкий акцепторный пик.

Положение акцепторного уровня Ge в InAs из спектров ФЛ мы оценили как 14 мэв выше потолка валентной зоны. Дальнейшие исследования, например изменение спектров со временем, должны показать, насколько такое замещение вакансий As ионами Ge⁺ энергетически выгодно для кристалла.