Главная Промышленная автоматика.

лее детального исследования этого материала с целью получения по;1ложек со стабильными и контролируемыми свойствами.

Прогресс в изучении электрических свойств полуизолирующего СаАь сдерживается трудностями, связанными с проведением измерений и интер-преТсЩией результатов для высокоомных материалов. Даже сегодня enie существуют противоречия, касающиеся механизма проводимости в этих материалах и роли собственны дефектов или комплексов, связанных с примесями. Определенные трудности существуют и в проведении анализа примесей, так как большинство электрически активных примесей можно обнаружить только с помощью масс-спектрометрни.

К жлуизолируюидему арсениду галлия, используемому в качестве подложки при изготовлении ПТШ, предъявляются следующие требования:

1) термостабильность (высокое удельное сопротивление должно сохраняться после процесса 3nHraKCHajibHoro вырашцвания или 1.)тжига имплантированных слоев);

2) отсутствие нежелательных эффектов на границе активный слой-подложка (гистерезис характеристик, "управление со стороны подоожки", чувствительность к свету) ;

3) отсутствие деградации свойств активного слоя из-за диффузии примесей из подложки при проведении термических процессов;

4) минимальная концентрация примесей;

5) мгаимальная плотность дефектов (дислокаций, дефектов упаковки, включений второй фазы).

В объемном материале удовлетворить всем этим требованиям трудно. Поэтому была предложена технология создания буферных слоев [9, 10J, при использовании которой на полуизолирующей подложке выращивается относительно толстый эпигаксиальный слой с высоким удельным сопротивлением. Активный слой создастся либо дальнейищм эпитаксиальным наращиванием, либо методом ионной имплантации в буферном слое. Данная методика позволяет маскировать нежелатель}ые свойства подложки, ко при этом усложняется процесс и увеличивается стоимость изготовления. Практической целью исследовании иолуизолирующего Са.Ль является возможность образования активною слоя непосредственно на (и.чи в) подложке, удовлетворяющего всем пяти требованиям. Успехи, достигнутые за последние несколько лет как в исследовании этою магериъга, гак и в технологии выращивания монокристаллов, подтверждают, чю цель может быть достигнута в ближайишм будущем.

В этой главе обобщены результаты исследований полуизолирующих подложек из GaAs. Во-первых, обсуждаются различные моде.ти .механизма проводимости и природа глубоких уровней. В разделе, посвященпом выращиванию моиокрисгаллов, рассмотрены раз]шчные методы вырагцивания. Причем основное вниглаиие уделяется методу Чохральского с изоляцией жидким флюсом. Описаны различные электрические, оптические и анэлити-ческие методы исследования полуизо.лирующего ОаАь и приведены гниич-ные результаты.



1.1. МЕХАНИЗМ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО GaAs

До ка стоящего времени природа механизма проводимости полуизолирующего GaAs является предметом споров. Предложены различные модел>1 энергетических уровней в этом материале, основанные на экспериментальных результатах исследования либо температурных зависимостей явлений переноса тока (например, эффект Холла), либо оптически стимулированных эффектов (поглощение, фотопроводимость, фотолюминесценция и т. д.). Эти модели описаны в порядке их развития после краткого обзора современных представлений о природе глубоких примесных уровней в GaAs.

1.1.1. ГЛУБОКИР УРОВНИ в gaas

Кислород. Кислород неизбежно присутствует в качестве примеси как в объемном, так и в эпитаксиальном GaA.s. Являясь примесью замещения в подрешетке As, он должен вести себя как донор. Теоретические расчеты показывают, что кислород должен проявляться в виде глубокого уровня [11]. Экспериментальное исследование роли кислорода в GaAs затруднено из-за сложности воспроизводимого химического 017ределения его коннснт-рании. С характерной особенностью наличия глубокого уровня в GaAs впервые столкнулись при изучении GaAs высокой чистоты, который, как обнаружилось, является полуизолируюищм. В ранних исследованиях полуизолирующие свойства объясняли наличием глубокого акцепторкого уровня, компенсирующего мелкие донорные уровни [1. 3], Было сделано предположение, что создавать компенсирующий глубокий уровень может кислород [1 ]. Энергия активации этого уровня равна 0,76 эВ, и он расположен ниже дна зоны проводимости. Показано [12], что эти же даиньге могут интерпретироваться более правильно, если предположить, что глубокий декорный уровень компенсирует избыток мелких акпепторных уровней. Бьгло уста-гювлсно, что кокцентрация глубоких донорных уровней примерно равна Ю"* см~, но эти уровни ке были идентифицированы с кислородом.

Авторы работы [4] изготовили полуизолирующий GaAs, специалько легированный Zn и О2. Результаты тщательно апализировались с nOMOuibro модели, предаожеиной в [12], и глубокий доноркый уровень был объяснен наличием кислорода, поскольку точно такие же уровни наблюдались и в более paHiHix работах. В других исследованиях GaAs, выращенного при различных давлениях кислороп, также получены данные, подтверждающие косвсииую связь глубокого >ровня с наличием кислорода [6, 13].

Более поздние исследования GaAs, содержаи[его кислород, методом фо-гопроводимости [14- 16] подтвердили существование доноркого уровня

~ 0,75 эВ, отя доказательства ею связи с кислородом не представлены. С помощью фотоемкостных измерений в GaAs обнаружен преобладающий уровень кислорода при Е~0,79 эВ [17]. В арсскидс галлия, содержащем кислород и переходные металлы (Ni и Fe), усгановлск уровень с энергией 0.78 эВ, который также был отнесен к кислороду. Концентрация кислорода. h3meppvhia.4 с помощью радиоизоюпного и масс-спектроскопического анализа, составляла в этих обра (цах (3 5) 10 см" [18]



Авторы работы [19] назвали уровень с энергией 0,75 эВ в GaAs "А-цент-ром", чтобы подчеркнуть недоказаккость идентификации этого уровня с кислородом. Они изучили диффузию этого центра из эпитаксиального GaAs и определили температурную зависимость его коэффициента диффузии. Кроме того, был установлен доноркый характер этого центра. Полученные результаты позволили доказать, что "А-центры" возникают при замещении кислородом атомов мышьяка. Позднее в противоположность этим результатам с помощью масс-спектроскопии было показано, что концентрация кислорода значительно ниже концентрации "А-центров", полученной методом емкостных измерений [20].

В настоящее время ясно, что в GaAs существует глубокий донорный уровень - 0,75 эВ. В теоретических и некоторых экспериментальных работах этот уровень связывают с дефектом замещения мышьяка кислородом, в то же время другие исследования показывают, что это может быть собственный дефект. Для выяснения роли кислорода в GaAs необходимы дальнейшие эксперименты с использованием современных методов исследований.

Хром. Хром является обычной специально вводимой примесью для создания глубоких уровней в полуизолирующем GaAs. Как показано в ранней работе [8], хром создает акцепторный уровень. Однако различные методы исследования поведения хрома в GaAs дают противоречивые результаты относительно его уровня в запрещенной зоне. Это связано с неопределенностью, обусловленной поведением переходных металлов в решетке типа цинковой обманки.

Для изучения поведения Сг в GaAs были использованы оптические методы и методы термически активизированного переноса. Для полуизолирующего материала измерение температурной зависимости темнового коэффициента Холла проводилось в достаточно узком температурном диапазоне в области 300 К, так как при низких температурах получается очень высокое сопротивление.

Уровень Ферми находится вблизи середины запрещенной зоны, поэтому необходимо учитывать оба типа носителей. В этом случае коэффициент Холла определяется следующим образом:

q (пр„+ррр)

где - эффективный коэффициент рассеяния (отношение холловской подвижности к дрейфовой); q - заряд электрона; nwp ~ концентрации носителей заряда; /z и /z - соответствующие подвижности носителей заряда. Было установлено, что величина /? для системы GaAs с Сг отрицательна, т.е. что получился материал и-типа. Однако измерения с помощью термозонда показали, что материал обладал проводимостью р-типа (р>и) [8]. Это можно объяснить тем (выражение (1.1)), что отношение подвижнос-

теЙА4„/А£р ~10,иеслии(/1„/А1р)>р,то7?х < О-

Такая кажущаяся двойственность типа проводимости в системе GaAs с Сг приводит иногда к ошибочному толкованию в литературе положения





0 [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0039