Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава I. МЕТАСТАШЛЬНЫЕ ТВЕРДОЕ РАСТВОРЫ (Ge2)x ( Ста AS) - х ; ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА И
ИССЛЕДОВАНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 10
§ I.I. Особенности синтеза твердых растворов в системах С -A Bv 10
§ 1.2,Получение и исследование метастабильных твердых растворов (Gre)x (OaAs) f-x I5
I.2,1.Структурный фазовый переход в твердых растворах (Ge2)x(GreA 04-x 21
1.2,2.Зависимость постоянной решетки твердого раствора ((3-) х (аА&) „х от состава 23
1.2.3.Зонная структура (Сг©г)х (ФаА&Ь-х 24
§ 1.3. Особенности исследования метастабильных твердых растворов (Greg) (GaA ) -x 28
1.3.1. Масштаб искривления зон в легированных полупроводниках 29
1.3.2. Влияние флуктуации состава на электронные и оптические свойства полупроводниковых твердых растворов , 35
1.3.3. Некоторые особенности люминесценции сильно легированных полупроводников (СДП) 37
1.3.4. Эффект Холла в неоднородных полупроводниках , , 41
§ 1.4. Постановка задачи 45
Глава 2. МЕТОДЖА ЭКСПЕРИМЕНТА 47
§ 2.1, Метод получения эпитаксиальных слоев метастабильных твердых растворов (Ф х (GaAs) -§ 2.2. Методики определения составов и толщен эпитаксиальных слоев
§ 2.3. Методика исследования электрофизических свойств твердых растворов (Qe2) (GraA ) K 53
§ 2.4. Возбуждение и регистрация спектров фотолюминесценции твердых растворов 65
2.4.1. Возбуждение фотолюминесценции 65
2.4.2. Методика регистрации спектров фотолюминесценции. 67
2.4.3. Температурные измерения фотолюминесцентных свойств твердых растворов 68
2.4.4. Методика градуировки фотоприемников. ТЕ
§ 2.5. Методика измерений пропускания и отражения эпи таксиальных слоев (G-e2)x (G-aAS)-
§ 2.6. Методики исследования гетеропереходов на основе твердых растворов (Фе ) ( Grot As) - 75
2.6.1. Получение омических контактов к твердым растворам (6tefi)x(G-aAs)4-x 75
2.6.2. Измерение ВАХ р-п. -гетеропереходов 77
Глава 3. ЭЖКТРОФИЖЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДІЇ РАСТВОРОВ (0-еа)х (й-оАв) 4-х те
§ 3.1. Результаты исследований зависимостей холловской концентрации носителей заряда, их подвижности и проводимости твердых растворов (Сге2)х (GraAs) j-x от состава и условий выращивания .79
§ 3.2. Влияние отжига на электрофизические параметры твердых растворов (&ег)х (GraAS -x 84
§ 3.3. Обсуждение результатов 91
Основные результаты и выводы IOO
Глава 4. ОПТИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВ ТВЕРДІ РАСТВОРОВ ((7Єг)х(ЙаA&) t x 102
§ 1.4. Фотолюминесцентные свойства твердых растворов (Оег)х((кіАй)л-х Ю2
4.1.1. Экспериментальные результаты 103
4.1.2. Обсуждение результатов 116
§ 4.2. Оптические константы твердых растворов ((тег)х(ОаА&)4-х 120
§ 4.3. Исследования спектров комбинационного рассеяния света твердых растворов (Gre ) (Ста As),j x 129
Основные результаты и выводы 136
Глава 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НА ОСНОВЕ
(&e2)x((bAs)bx 139
§ 5.1. Особенности р-п -гетероструктур на основе твердых растворов ( Сгег) к ( G-oi Д S) 1 х и их электрические характеристики 140
§ 5.2. Фотоэлектрические свойства р-п -гетероструктур на основе твердых растворов
(0-e2)x(GaAs) K 145
Основные результаты и выводы 162
ЗАКМНЕНИЕ 163
ЛИТЕРАТУРА 1
Введение к работе
В настоящее время хорошо изучены разнообразные полупроводниковые твердые растворы на основе элементов ІУ группы /Six Gehx А У группы / 3bxBiHX /, соединений АШЕ/ ,
и др. Многие из них нашли широкое применение в полупроводниковых приборах.
Общей особенностью известных полупроводниковых твердых растворов является то, что они по своей кристаллической структуре и по составу близки к состоянию внутреннего термодинамического равновесия. Однако этими твердыми растворами не исчерпываются возможности комбинирования различных по своей химической природе компонентов в единой кристаллической решетке и соответственно получения новых физических свойств. Действительно, в последнее время появляется все больше сообщений о получении представителей нового класса полупроводниковых материалов - метастабильных твердых растворов [22,27-33] .
Проблема получения метастабильных материалов давно привлекала внимание исследователей [23-2б] . В этом отношении особенно большой интерес вызвали полупроводниковые квазибинарные системы, образованные элементами ІУ группы С и соединениями А В , так как в большинстве рассматриваемых систем равновесная растворимость в твердом состоянии не превышает I мол % [б] . Вместе с тем, только развитие методов эпитаксиального выращивания полупроводников, основанных на процессах неравновесной кристаллизации позволило в последнее время синтезировать непрерывные твердые растворы в ряде систем, образованных элементами 17 группы и соединениями
Настоящая работа посвящена изучению электрофизических, оптических и люминесцентных свойств одного из наиболее интересных представителей рассматриваемой группы материалов - новых мета-стабильных твердых растворов (Ge2)x( GraAs)f..x Ifl »а также проблеме получения гетеропереходов на их основе, К началу настоящей работы подобные исследования не были проведены для твердых растворов (Cre2)x ( GaAs)t_x . Важность таких исследований обусловлена и тем, что при переходе от Сге к GraAs ширина запрещенной зоны возрастает от 0,68 до 1,43 эВ /300 К/ с изменением типа межзонных переходов от непрямого / Г-»- L / к прямому при изменении параметра решетки всего, на 0,08%. Диапазон же энергии 0,68 1,43 эВ соответствует практически важной области Ж спектра, который не охватывается полностью опто-электронными приборами, изготовленными на основе тройных и четвертных изопериодических твердых растворов системы In-Erct-P- As . Актуальной является также и проблема получения р-п — гетеропереходов на основе твердых растворов ( Gre2)x( GaA$)j_x,
Результаты таких исследований необходимых для более полного понимания особенностей состава, структуры, процессов образования и распада метастабильных твердых растворов, а также для оценки возможностей их практического использования.
Цель диссертационной работы заключалась в исследовании электрофизических, оптических, фото люминесцентных свойств твердых растворов ( &ег)х ( GaAs)j_x в зависимости от состава, условий выращивания и термообработки, а также получение и исследование электрических и фотоэлектрических свойств р-П -гетеропереходов на их основе.
Научная новизна работы. Впервые проведены исследования основных электрофизических, оптических и люминесцентных свойств нового полупроводникового материала - метастабильных твердых растворов (&ег)х (GcxAs)i-x .
Обнаружена связь между электрическими, оптическими и люминесцентными свойствами и степенью ассоциации атомов Ge ( Got и Ag ) в твердых растворах (Gre2)x(GraAs) x
Установлено существование инверсии типа проводимости ( п- -р ) в твердых растворах (Gea)x (Ga As)-i-х с изменением состава. Определена зависимость состава, отвечающего точке инверсии типа проводимости ( Хс ) от температуры выращивания.
Получены р-п -гетеропереходы на основе твердых растворов ( Grez)x ( GoiAs)i- и исследованы их электрические и фото-электрические свойства.
Практическая ценность работы.
1. Проведены систематические исследования электрофизических, оптических и люминесцентных свойств нового полупроводникового материала (твердых растворов (Ge2)x (GkxAs") _x ) , необходимые для создания приборов на их основе.
2. Получены туннельные диоды в системах GraAg (G-e2)x ( GaAs) и (Ge2)x ( Ga As) ( Gee)y ( Ga As) і -у . Установлено, что p - n -гетеропереходы на основе твердых растворов (Сгвд)х ( GraА&)j-х обладают спектральной чувствительностью в практически важной области 0,7 1,4 эВ.
3. Предложен метод определения весьма малых величин диффузионных длин ( 0,1 мкм) не основных носителей заряда в сильнолегированных полупроводниках.
Основные научные положения, выносимые на защиту,
1. Электрофизические, оптические и люминесцентные свойства (Сге2)х( GaA&h-x определяются как составом, так и степенью ассоциации атомов Ge ( Get и As ) в решетке твердого раствора,
2. При фиксированном составе степень ассоциации компонентов в решетке твердого раствора (Gfe2)x( GraAs -x возрастает с повышением температуры кристаллизации1,
3. Тип проводимости и концентрация носителей заряда в ( &ег)х((киАй) -х определяются характером и степенью нарушения стехиометрического соотношения между Ga и As в твердом растворе, а также наличием собственных точечных дефектов,
4. Зависимость ширины запрещенной зоны твердых растворов (Ge2)x(GaAs)-j x от состав имеет нелинейный характер: с ростом концентрации Ge ширина запрещенной зоны С Eg ) резко уменьшается и при X = 0,27+0,3 практически достигает своего минимального значения, дальнейшее увеличение концентрации (Je не приводит к существенным изменениям Eg
5. Осцилляции, обнаруженные в спектральной зависимости фотоответа р-n -гетеропереходов на основе твердых растворов (&&г\ ( GaAs) -х , обусловлены интерференционной модуляцией интенсивности возбуждающего света в области р-п перехода
Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения, заключения.
Первая глава посвящена обзору литературных данных. Рассматриваются особенности синтеза метастабильных твердых растворов в системах С -А ЕГ . Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований метастабильных твердых растворов (&ez)x (GaAs)i-x. . Рассмотрены некоторые особенности исследования электрофизических, оптических и люминесцентных свойств сильнолегированных и компенсированных полупроводников, к которым относятся (Gre)x( GraA)_x .
Во второй главе описываются методы получения и исследования электрических, люминесцентных и оптических свойств твердых растворов ( Ge5,)x(GaAs)1«x) , а также экспериментальные установки для их проведения. Дается оценка точности измерений.
В третьей главе излагаются результаты исследования электрофизических свойств твердых растворов (G e2)x (GaAs) x • Приведены данные о влиянии отжига на электрофизические свойства твердых растворов. Изучен характер температурной зависимости концентрации и подвижности носителей заряда в диапазоне температур 77 - 400 К.
В четвертой главе приводятся результаты исследования оптических (пропускание и отражение) и фото люминесцентных свойств твердых растворов в зависимости от состава и температуры выращивания, а также спектров комбинационного рассеяния света.
Пятая глава посвящена исследованию электрических и фотоэлектрических свойств р- п -гетеропереходов на основе (&ег)х (Сг А$)і-х • Дано объяснение наблюдаемых особенностей фотоэлектрических свойств - осцилляции в спектральной зависимости Фотоответа,
