Введение к работе
Актуальность проблемы
Узкозонные полупроводниковые соединения А3^ арсенид и антимонид индия имеют ширину запрещенной зоны 0,36 эВ и 0,18 эВ, соответственно, и приборы на этих соединениях, использующие переход носителей из зоны в зону, обладают фоточувствительностью в ИК диапазона от 3 до 5 мкм и являются привлекательными для использования в оптоэлектронных устройствах.
Исследования диффузии примесей в арсениде и антимониде индия, начатые еще в пятидесятые годы, когда с помощью измерения глубины залегания р-n перехода были оценены параметры диффузии для ряда примесей, до настоящего времени являются основными данными о коэффициентах диффузии. Однако, как известно, метод измерения глубины р-n перехода с помощью регистрации контраста при окрашивании р- либо п-областей применим только при исследовании примесей, образующих с подложкой резкий градиент концентраций, что для большинства случаев нереализуемо. Кроме того, для достоверной фиксащш легированного слоя необходима загонка примесей до таких глубин, которые реализуются только при высоких температурах и длительных временах отжига.
Использование в шестидесятые годы для исследования диффузии примеси в арсениде и антимониде индия метода меченых атомов позволило расширить круг исследуемых примесей, снизить нижний предел диапазона температур и времени диффузии и повысить достоверность результатов. Но и в этом случае набор примесей был ограничен.
Наряду с методическими ограничениями, приводящими к снижению достоверности результатов, качество самих исследуемых материалов тридцать лет назад было низким. Поэтому говорить об учете влияния дефектов на диффузию примесей в арсениде и антимониде индия в то время было еще невозможно.
В настоящее время применение имплантационных слоев арсенида и антимонида индия для создания фоточувствительных приборов ставит задачу выявления взаимодействия радиационных дефектов с внедренной примесью при имплантации и последующем отжиге. Эта задача является актуальной еще и в связи с тем, что деградация и температурный диапазон работы фотоприемника в существенной степени зависит от
стабильности имплантационных слоев. Поэтому для выяснения особенностей диффузии и активации имплантированной примеси в присутствии электрически активных дефектов необходимо было проведение работ, направленных на выделение вклада дефектов в проводимость слоев и электрической активации примеси. В связи с тем, что для изготовления оптоэлектронных устройств на арсениде и антимониде индия наиболее часто применяются такие примеси как бериллий, магний и сера, в данной диссертации проведен цикл работ, направленных на исследование диффузии и активации данных примесей, имплантированных в арсенид и антимонид индия.
Цель работы состояла в исследованиях пространственного перераспределения при термообработках примесей, введенных в антимонид и арсенид индия методами ионной имплантации, и в исследованиях электрической активации легирующих примесей для создания фоточувствительных планарных диодных структур на основе арсенида индия.
Для достижения данной цели решались следущие задачи:
1. С помощью масс-спектрометрии вторичных ионов провести
.исследования диффузии бериллия, магния и серы, внедренных в
арсенид и антимонид индия, в процессе имплантации и последующего отжига.
-
Изучить активацию серы, имплантированную в арсенид индия, с помощью измерения слоевой концентрации носителей по методу Холла.
-
Определить возможности ионной имплантации для создания фоточувствительных диодных структур на арсениде индия.
Научная новизна работы состоит в том, что
В арсениде индия обнаружен процесс восходящей диффузии бериллия, когда при постимплантационном отжиге выше 700 С примесь перемещается в область среднего проецированного пробега ионов.
Выявлено, что диффузия магния из имплантационных слоев на арсениде индия характеризуется образованием "хвостов*' распределения (на уровне концентраций 1017 см"3 - 1018 см"3), достигающих нескольких десятков микрометров. На глубине больше 1 микрометра магний декорирует дислокации и дефекты упаковки.
- Исследовано перераспределение бериллия и магния в
антимониде индия, где обнаружено формирование дополнительных
максимумов на профиле распределения примеси в процессе имплантации.
Обнаружено, что у бериллия в антимониде индия и у серы в арсениде индия в процессе отжига форма профилей распределения концентрации не изменяется.
Созданы термически стабильные слои n-типа на арсениде индия при имплантации ионов аргона.
Выявлены условия электрической активации серы в арсениде индия. Сформированы фоточувствителъные р-n переходы на арсениде индия р-типа, в которых проводимость определеяется серой.
Практическая ценность проведенных исследований заключается в том, что
Определены параметры диффузии магния в антимониде индия -энергия активации 0,58 эВ и предэкпоненциалъный множитель 1,1x10"* cmVc.
Выявлено, что диффузия магния в арсениде индия в районе "хвостов" распределения примесей происходит по двум потокам. Соответствующие параметры диффузии составляли ДЕ4 = 0,13 эВ, Doi = 10"" cmVc и ДЕг = 0,18 эВ, DQ2 = 4x10"' cmVc.
Получены фоточувствительные диодные структуры с дифференциальным сопротивлением р-n перехода равным предельно достижимому для арсенида индия со временем зкизни неосновных носителей заряда 10~" с. Максимум фоточувствительности при температуре измерения 130 К пленарных п*-р переходов приходится на энергию квантов с hv = 0,47 эВ, а длинноволновая граница фоточувствительности расположена при hv = 0,4 эВ, что соответствует краю собственного поглощения арсенида индия.
Достоверность полученных результатов и выводов определяется тем, что исследования проводились на широком наборе образцов с контролируемыми концентрациями примесей,,, введенными в процессе ионной имплантации, с помощью методик, позволяющих проводить измерения с высокой точностью и воспроизводимостью.
Апробация работы. Основные результаты работ докладывались и обсуждались на 6 Международной конференции "Ion Beam Modification of Materials", 1988, Tofcyo, Japan; на 2 Всесоюзном семинаре по проблеме "Физика и химия полупроводников", 1989, Павлодар; на 2 Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация полупроводников
и других материалов микроэлектроники", 1989, Каунас; на 35 Международном научном коллоквиуме, ,1990, Ilmenau, DDR; на 6 Всесоюзном семинаре "Вторичная ионная и фотонная эмиссия, 1991, Харьков; на 3 Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация полупроводников и других материалов микроэлектроники", 1991, Новосибирск;'на 8 Международной конференции "Ion Beam Modification or Materials", 1992, Heidelberg, Germany; на 11 Международной конференции "Ion Beam Analysis", 1993, Balatonfuered, Hungary; на 10 Международной конференции "Ion Implantation Technology", 1994, Catania, Italy; на б Европейской конференции "Application of Surface and Interface Analysis", 1995, Montreux, Switzerland.
Публикации. Результаты работы изложены в 20 публикациях, список которых приведен в конце автореферата. Основные положения, выносише на защиту: 1. Представления о диффузии бериллия, магния и серы в процессе ионной имплантации примеси и отжига арсенида и антимонида индия.
2. Условия и метод электрической активации серы,
имплантированной в арсенид индия.
3. Основы технологии создания фоточувствительных диодных
структур при использовании слоев арсенида индия, легированного
серой.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 164 страниц машинописного текста, иллюстрируется 42 рисунками, 5 таблицами и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 116 наименования.
