Введение к работе
Актуальность темы.
Основной фактор, определяющий люминесцентные, фотоэлектрические и др. свойства полупроводников и приборов "на их основе, - это кинетика фотовозбужденных носителей. При межзонном оптическом возбуждении (пчй>Ед, где.Е8 - ширина запрещенной зоны) рождаются свободные электроны (е) и дырки (h). Они могут ре-комбинировать либо непосредственно, либо образуя экситоны и эк-ситонные комплексы, которые затем аннигилируют. Возможна рекомбинация с участием водородоподобных и глубоких дефектов. Обычно в прямозонных материалах рекомбинация носителей заряда противоположного знака идет за времена от наносекунд до микросекунд.
В ряде случаев рекомбинация захваченного на примесный уровень носителя с носителем противоположного знака может быть по тем или иным причинам затруднена. Примесный уровень такого типа называют метастабильным состоянием. Время жизни носителя, локализованного на нем, может стать очень большим (от >> 10 с), поэтому среди множества примесных состояний в реальном полупроводниковом кристалле.долгоживущие или метастабкльные состояния занимяют особое место. Проблемы долгоживущих состояний, их микроскопической природа, внутренней структуры, их проявления в различных эффектах представляют большой интерес для физики полупроводников. Во многих случаях остаются неясными причины метастабильности и механизмы ее влияния на свойства материала.
Таким образом, исследование метастабильных состояний имеет важное значение как для фундаментальной науки, так и для полупроводниковой техники.
Выбор объектов исследования.
В настоящей диссертации исследуется арсенид галлия. Этот материал является хорошим модельным объектом в физике твердого тела и, с другой стороны, очень широко распространен в полупроводниковом приборостроении.
В данной работе изучаются долгоживущие состояния в чистых. (%
сей, свойственная нашим экспериментальным образцам, позволяет ме-тастабильным состояниям проявиться наиболее отчетливо.
Цель работы.
Исследование различных типов метастабильных состояний в чистых эпитаксиальных слоях n-GaAs .
Выяснение механизмов влияния долгоживущих состояний на люминесцентные и другие свойства GaAs.
Измерение параметров метастабильных акцепторов в GaAs .
Научная новизна.
В арсениде галлия, подвергнутом предварительному облучению межзонным светом, обнаружен эффект возгорания краевой люминесценции под действием света с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны.
Для объяснения результатов предложена модель, из которой следует решающая роль глубоких дырочных ловушек (Е0»0.4 эВ) в компенсации чистого n-GaAs.
Сделан вывод о наличии нескольких типов метастабильных состояний в чистых эпитаксиальных слоях GaAs:
A. Фотоионизуемые уровни прилипания дырок двух типов, отлича
ющиеся оптической глубиной запегания (0.12 и 0.4 эВ), а
также величиной сечений фотоионизации и захвата носителей
обоих знакоь;
B. не ионизуемые светом состояния, захватывающие две (или бо
лее) дырки и распадающиеся спонтанно через оже-процесс.
Показано, что время жизни дырок на метастабильных ловушках резко уменьшается при разогреве электронов электрическим полем.
Сделан вывод о том, что образец эпитаксиального n-GaAs (NB< <10 см5), содержащий долгоживушие дырочнные ловушки, может при низких температурах - вплоть до гелиевых - находиться в метаста-бильном состоянии, которое характеризуется,с одной стороны наличием дырок, связанных на долгоживущих состояниях, а с другой -присутствием свободных электронов в зоне проводимости.
В связи с последним выводом предложена модель, которая включает примесные электронные уровни в эпитаксиальном n-GaAs , ле-2.ааие выше потолка запрещенной зоны (резона'оные с зоной шх>во-
димости).
- Разработана и применена методика количественной оценки некоторых параметров метастабильных состояний: сечения фотоионизации, оптической энергии ионизации, концентрации и др.
Практическая значимость.
Разработанная методика может использоваться для характериза-ции эпитаксиального n-GaAs, в частности, - параметров глубоких центров, захватывающих неосковные носители. Обладая такими свойствами как бесконтактность,. локальность, возможность измерения нескольких параметров, данная методика дополняет традиционные ' методы исследования полупроводников.
Показана возможность использования материала с метастабильны-ми ловушками для визуализации инфракрасного света.
Исследованные метастабильные состояния в чистом арсениде галлия могут существенно влиять "на временные и фотоэлектрические свойства приборов на его основе.
Положения, выносимыме на защиту.
'. В арсениде галлия, подвергнутом предварительному возбуждению межзонным светом h^0>Eg, обнаружен эффект стимулированной подзонным (fro, <Ед) светом краевой люминесценции, наблюдаемый при освещении образца светом И,<Ед.
-
Показано, что возгорание краевой люминесценции в n-GaAs вызвано фотоионизацией метастабильных'состояний - ловушек, захвативших неосновные носители - дырки.
-
Определены параметры дырочных ловушек в эпитаксиальных слоях n-GaAs: время жизниv захваченных на них дырок - от 200-300 мкс до более 10 мс в зависимости от типа ловушки, оптическая энергия ионизации Е0 от 0.' до 0.4 эВ, сечение фотоионизации <5Ph(hM<) для нескольких значений энергии кванта света в интервале h»| от 0.1 до 1.3 эВ - от менее 10 до 7-10 см .
-
Построена модель процессов перезаряда ловушек с оптической энергией ионизации Еой0.4 эВ, включающая интенсивный обратный яахват на них неосновных носителей (дырок).
-
Показано, чти дырочные ловушки, всегда присутствующие в чистом эпитаксиалыюм арсениде галлия n-типа, как правило, опре-
- 6 -деляют его компенсацию и время жизни неосновных носителей при низких температурах (Т<80 К).
-
Обнаружено значительное уменьшение времени жизни дырок в метастабильном состоянии при разогреве свободных электронов внешним электрическим полем. Оно обусловлено ростом вероятности рекомбинации дырки в метастабильном состоянии со свободным Электроном по мере его разогрева
-
Из опыта оценено сечение фотоионизации 6fh мелкого водоро-доподобного акцептора подзонным светом: 6^(0.12 эВ)*1.5-1б см8.
-
Предложена модель процесса, вызывающего микросекундное затухание экситонных линий и линии (D,h) люминесценции n-GaAs по окончании возбуждающего межзонного импульса. Модель включает спонтанный оже-распад метастабильного дырочного состояния.
-
Показано, что в n-GaAs времена жизни свободных электронов в зоне проводимости при Т<10 К могут определяться временем жизни дырок на метастабильных состояниях.
10. Показано, что в исследуемых образцах присутствуют положи
тельно заряженные дефекты, не захватывающие свободные электроны.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на конференцях: 12-й Всесоюзной по физике полупроводников (Киев, 1990 г.) и 8-й Международной по динамическим процессам и возбужденным состояниям в конденсированных средах (Лейден, 1991 г.). ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано Є печатных работ, из них 4 - в журналах.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 178 страниц текста, 66 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 136 наименований.
