Дефекты с глубокими уровнями в структурах А3В5 и их взаимодействие с квантовыми точками

Дефекты с глубокими уровнями в нелегированных 18 слоях ваА" и ваР, полученных методом жидкофазной эпитаксии, и оптимизация технологии получения структур на их основе.

Введение

18.

Исследования электрофизических параметров и дефектов с 25 глубокими уровнями в эпитаксиальных р-п структурах на основе нелегированного ваАв электронно-зондовыми методами.

Определение параметров закона рекомбинации в области 25 объемного заряда р-п и р-ьп полупроводниковых структур с помощью электронного зонда.

Особенности поведения ТИЭЗ и КЛ в структурах на основе 25 нелегированного СаАз.

Теоретические модели расчета кривых ТИЭЗ при локальной 29 перезарядке глубоких уровней.

Модуляционная спектроскопия глубоких уровней с 41 помощью электронного зонда.

Физические основы метода модуляционной спектроскопии 41 глубоких уровней с помощью электронного зонда Результаты исследования глубоких уровней в р-п 45 структурах на основе эпитаксиального СаА$ методами модуляционной спектроскопии.

Определение параметров закона рекомбинации в 58 квазинейтральных областях полупроводниковых структур с помощью электронного зонда.

Исследования механизма усиления фототока в СаАэ/АЮаАв 68.

1.3.

1.3.1.

1.3.2.

1.3.3.

1.3.4.

1.4.

1.5.

1.6.

ГЛАВА 2.

2.1. 2.2.

2.3.

2.4.

ГЛАВА 3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4. структурах с помощью модуляционной методики Влияние температуры начала кристаллизации на механизм 71 компенсации и процесс образования дефектов в GaAs, выращенном из раствора-расплава Ga-As.

Введение

71.

Исследования р-n структур методом Ван-дер-Пау 73.

Токовая DLTS спектроскопия дефектов и примесей с 76 глубокими уровнями в р-n структурах.

Оптическая модуляционная спектроскопии глубоких 82 уровней с помощью электронного зонда.

Дефекты с глубокими уровнями в GaAs, выращенном из 86 раствора-расплава Ga-As-Bi.

Особенности получения GaP полупроводниковых структур 98 методом жидкофазной эпитаксии.

Выводы к главе 1 104.

Бистабильные дефекты и примеси с глубокими 107 уровнями в эпитаксиальных слоях AlGaAs.

Введение

107.

Метастабильное состояние DX-центра в легированных Si 109 эпитаксиальных слоях AlxGaixAs.

Бистабильные свойства собственного El дефекта в 115 легированных Si эпитаксиальных слоях AlxGaixAs.

Выводы к главе 2 122.

Радиационные дефекты с глубокими уровнями в 123 эпитаксиальных слоях GaAs и AlGaAs.

Введение

123.

Генерация EL2 дефекта в n-GaAs при радиационном 126 облучении протонами и электронами высокой энергии Бистабильные свойства радиационного El дефекта в 136 легированных Si эпитаксиальных слоях AlxGaixAs. Радиационные дефекты с глубокими уровнями в солнечных 143 элементах на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs.

3.5. Выводы к главе 2 147.

ГЛАВА 4. Рекомбинационно-стимулированные отжиги в GaAs и 149 AIGaAs слоях и гетеролазерных структурах на их основе.

4.1.

Введение

149.

4.2. Исследования механизма деградации лазера на основе 152 AlGaAs/GaAs-гетероструктур с квантовыми ямами.

4.3. Рекомбинационно-стимулированный отжиг в слоях GaAs и 162 AIGaAs.

4.4. Выводы к главе 4 169.

ГЛАВА 5. Взаимодействие квантовых точек и дефектов в 170.

InAs, Ga)/GaAs полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми точками.

5.1.

Введение

170.

5.2. Эффект кулоновского взаимодействия квантовых точек и 176 дефектов в гетероструктурах InAs/GaAs с вертикально сопряженными квантовыми точками, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

5.3. Метастабильная заселенность саморганизованных 189 квантовых точек в InAs/GaAs гетероструктурах, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

5.4. Эффект Штарка вертикально сопряженных квантовых 205 точек в гетероструктурах InAs/GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

5.5. Термоотжиг дефектов InGaAs/GaAs гетероструктурах с 217 трехмерными островками, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений.

5.6. Влияние кулоновских эффектов на электронную эмиссию и 234 захват саморганизованными квантовыми точками InGaAs/GaAs.

5.7 Выводы к главе 5 246.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

249.

Публикации по диссертации 253.

ЛИТЕРАТУРА

257.

Приложение I 279.

I.1. Генерация, диффузия и дрейф неравновесных носителей при 279 облучении быстрыми электронами.

Приложение II 285.

ПЛ. DLTS метод 285.

II.2. Автоматизированная установка токового DLTS 287 спектрометра.

П.З. Установка для измерения электрофизических 290 характеристик методом Ван-дер-Пау.

Актуальность темы

Арсенид галлия, как и многие другие полупроводники АЗВ5, является важнейшим материалом для сверхбыстрых электронных и оптических приборов, но они почти всегда содержат точечные дефекты кристаллической решетки, размер которых равен размеру атомов решетки. К числу точечных дефектов относятся: атомы междоузлия, вакансии решетки, пары междоузлия-вакансии, дефекты перестановки (antisite), кластеры и комплексы. Точечные дефекты в полупроводниках, действующие как ловушки электронов и дырок проводимости и имеющие обычно концентрацию в 10″ 6 раз меньшую, чем концентрация атомов, могут оказывать значительные, как нежелательные, так и полезные эффекты на электронные и оптоэлектронные свойства материалов и приборов. Знание и понимание электронных свойств, поведения и структуры дефектов являются, следовательно, весьма существенными и актуальными для дальнейшего развития технологии полупроводников АЗВ5, так как точечные дефекты рождаются в полупроводниках в процессе роста кристаллов и эпитаксиальных слоев, при ионной имплантации, травлении, а также при радиационном облучении. Их присутствие в полупроводниках может значительно влиять на темп диффузии примесей атомов и на процессы деградации приборов. Развитие физики полупроводников и технологии способствовало также появлению целого ряда новых идей: самоорганизации, метастабильности, рекомбинационно-стимулированного усиления и диффузии, квантового эффекта, становящихся важными для объектов с очень маленькими размерами. Новые типы дефектов так же, как и их специфическое поведение в полупроводниках, обнаруживаются по мере быстрого развития технологий, что предопределяет актуальность постоянного интереса к дефектам. Новые вопросы, связанные с изучением дефектов, часто возникают из практического опыта при исследовании полупроводниковых объектов, в частности, — полупроводниковых гетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками (КТ). Следует отметить, что в литературе, на момент выполнения работы, отсутствовали сведения об экспериментальных исследованиях точечных дефектов и их влияния на заселенность квантовых состояний так же, как и об их взаимодействии с квантовыми точками в таких системах. Не была установлена природа точечных дефектов, образующихся в (InAs, Ga)/GaAs-reTepocTpyTypax с самоорганизованными КТ, и соответственно не было информации о способах их подавления с помощью термоотжига in situ. Не было определено соотношение в концентрации точечных дефектов и КТ, приводящее к тому или иному механизму взаимодействия. Отсутствовали экспериментальные методы, позволяющие отличить пространственно-локализованные состояния в таких структурах от дефектов решетки. Изучение всех этих явлений в.

InAs, Ga)/GaAs-reTepocipyKTypax является актуальной задачей физики полупроводников, а также микрои оптоэлектроники.

Полупроводниковые квантовые структуры занимают в современной оптоэлектронике особое место. На их основе были созданы первые полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре. Актуальной является проблема повышения срока работы такого лазера, выяснение механизмов, лежащих в основе рекомбинационно-стимулированной деградации прибора, выяснения роли точечных дефектов в этом процессе.

Актуальной является задача получения эпитаксиальных слоев и приборов на основе соединений А3В5 (GaAs, GaP) с заданными и новыми свойствами, в которых компенсация слоев, распределение концентрации фоновых мелких примесей и дефектов с глубокими уровнями (ГУ) определяются технологическими условиями кристаллизации расплава. На момент выполнения работы практически отсутствовали экспериментальные исследования по влиянию температур начала кристаллизации на механизм компенсации эпитаксиальных слоев GaAs р-п-структур, полученных из раствора-расплава в Ga, и не было достаточного понимания роли и природы акцепторных дефектов с ГУ, а также и донорного дефекта типа EL2, участвующих в компенсации такой структуры. Не было также достаточно изучено влияние содержания изовалентной примеси Bi в жидкой фазе при выращивании эпитаксиальных слоев GaAs на концентрацию и тип образующихся при этом собственных дефектов решетки.

Актуальной проблемой физики дефектов и полупроводников являются исследования метастабильности дефектов и их свойств, в первую очередь EL2-дефекта и DX-центра в GaAs и AlGaAs, а также других дефектов, образующихся в процессе эпитаксиального роста и при их радиационном облучении протонами и электронами. Вопрос о том, что такое EL2-дефект — изолированный antisite-дефект или его комплекс с междоузельным мышьяком, может ли он быть сформирован в GaAs, выращенном из раствора-расплава в Ga и при радиационном облучении или нет, так же, как DX-центр — это дефект с отрицательной корреляционной энергией, а если так, то может ли он перейти в метастабильное антисвязанное состояние Ai донора замещения, был до последнего времени открытым.

Весьма актуальными задачами являются идентификация дефектов в сложных слоистых структурах и исследования физических характеристик в локальных областях полупроводниковых материалов и приборов. Этим требованиям отвечают электронно-зондовые методы исследования. К моменту начала работ, связанных с изучением материалов и структур на основе эпитаксиального нелегированного GaAs, не было адекватных электронно-зондовых методов определения параметров дефектов и примесей в локальных областях материалов и приборов, а также однородности в их распределении. Актуальной задачей стала потребность в разработке таких методов.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование и выявление новых свойств и природы точечных дефектов решетки с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях и структурах на основе соединений АЗВ5 (таких, как ОаАв, ваР и ОаАЬАэ), образующихся при различных методах роста, отжига и радиационном облучении слоев.

Эти исследования направлены также на:

• выявление механизмов влияния обнаруженных дефектов на заполнение уровней энергии КТ и взаимодействия дефектов с самоорганизующимися квантовыми точками в (1п, Аз) Оа/ОаАзгетероструктурах;

• оптимизацию технологии получения слоев и структур с управляемым содержанием дефектов для создания новых, эффективных приборов микрои оптоэлектроники;

• оценку потенциальных возможностей по использованию полупроводниковых наногетероструктур с КТ на основе соединений АЗВ5 для создания приборов микрои оптоэлектроники с высокой степенью свободы управления зонной структурой и электрооптическими свойствами с помощью внешних и встроенных электрических полей.

Для достижения указанных целей решался следующий комплекс задач.

• Разработка электронно-зондовых методов исследования процесса рекомбинации и спектроскопии центров с ГУ в локальных областях эпитаксиальных слоев, основанных на регистрации тока, индуцированного электронным зондом.

• Использование разработанных методов локальной спектроскопии дефектов с ГУ в многослойных ОаАэ полупроводниковых структурах для определения оптических параметров дефектов и параметров процесса рекомбинации.

• Разработка методики исследования пространственно-локализованных квантовых состояний точек, ям и поверхностных состояний, позволяющей отличать спектры этих состояний от спектров ГУ дефектов, распределенных по толщине эпитаксиального слоя с использованием вольт-фарадных (С-У) измерений и нестационарной спектроскопии глубоких уровней фЬТБ).

• Определение энергетического спектра ГУ дефектов решетки и квантовых состояний точек, а также анализ влияния на этот спектр как внешних, так и встроенных электрических полей с помощью ЭЬТБ спектроскопии при различных условиях предварительного обратимого изохронного, изотермического и оптического отжигов.

• Применение вольт-фарадных измерений и нестационарной спектроскопии ГУ для определения механизма деградации лазеров с квантовыми ямами.

Новое научное направление исследований, которое сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы — это исследования новых свойств и природы точечных дефектов решетки с глубокими уровнями в эпитаксиальных слоях и структурах на основе соединений АЗВ5 (таких, как ОаАэ, ОаР и ОаА1Аз), эффектов их взаимодействия с самоорганизующимися (1п, Аз) Оа/ОаАз квантовыми точками с использованием новых методов исследования центров с глубокими уровнями в локальных областях слоистых структур.

Научная новизна работы. Все основные научные результаты, позволившие сформулировать выносимые на защиту научные положения, получены впервые.

• Разработаны методы определения оптических параметров центров с ГУ, процессов рекомбинации в локальных областях р-п-структур с помощью электронного зонда и разделения в спектрах БЬТБ сигналов, связанных с квантовыми состояниями точек от дефектов с ГУ.

• Обнаружены и детально исследованы свойства, условия образования и отжига ЕЬ2-дефекта и нового акцепторного дефекта НБ1 с уровнем (Еу + + 0,47) эВ в эпитаксиальных слоях ОаАэ, выращенных из раствора-расплава в Са при температурах начала кристаллизации выше 800 °C и из раствора-расплава Оа-В1 при содержания В1 >0,6 атомной доли.

• Обнаружены и детально исследованы свойства и условия образования нового бистабильного дефекта с кинетикой конфигурационной трансформации первого порядка и параметрами в стабильном состоянии, совпадающими с радиационным Е1-дефектом, кинетика трансформации которого определяется единичным прыжком междоузельного мышьякаметастабильного уровня антисвязанного локализованного А1 состояния ОХ-центра в легированных слоях А^Са^Ав.

• Обнаружено образование комплекса вакансии мышьяка и дефекта (Уде) -(О) при частичном оптическом индуцированном отжиге дефектов (Ум и Аэоа) и рекомбинационно-стамулированной диффузии донорной примеси (D) в процессе их облучения лазером в эпитаксиальных слоях AlGaAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) при сверхвысоких скоростях охлаждения. Обнаружена генерация точечных дефектов AsGa и VGa, сопровождающая эффект рекомбинационно-стимулированного переползания дислокаций при деградации GaAs/AlGaAs гетеролазеров с квантовой ямой.

В InAs/GaAs-гетероструктурах обнаружено сильное влияние дефектов с глубокими уровнями на заселенность состояний квантовых точеккулоновское взаимодействие между ионизованными дефектами решетки и носителями, локализованными в квантовых точках, с образованием электростатического диполя, встроенное поле которого изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии и захвата носителей квантовой точкойсильная зависимость энергии уровней sи р-состояний, вертикально-сопряженных квантовых точек от величины приложенного внешнего электрического поля.

Показано, что как рост температуры начала кристаллизации при выращивании GaAs из раствора-расплава в Ga, так и изменение содержания Bi в жидкой фазе позволяют контролировать концентрацию и номенклатуру собственных акцепторных (HL2, HL5 и HF1) и донорных (EL2) точечных дефектов, компенсацию слоев и структур. Показано, что in situ отжиг InGaAs слоев способствует формированию бездислокационных когерентных КТ, аннигиляции точечных дефектов решетки, связанных с образованием дислокаций в слое матрицы GaAs (EL2), локализованных на гетерогранице InGaAs/GaAs, и уменьшению на порядок концентрации остальных дефектов.

Научная и практическая ценность работы.

Проведенные исследования механизмов компенсации GaAs и GaP позволили разработать технологию получения эпитаксиальных слоев и структур на основе GaAs и GaP методом ЖФЭ с параметрами и свойствами (с низкой концентрацией дефектов и примесей, высокой термостабильностью), необходимыми при создании линейных датчиков температур с рекордными параметрами. Результаты этих исследований использовались при изготовлении высоковольтных диодов и тиристоров повышенного быстродействия [1], также при производстве лазеров с длительным сроком эксплуатации.

• Были намечены пути создания принципиально новых обратимых электрических и оптических устройств памяти с экстремально высокой плотностью (Ю10 — 1011 бит/см2) с применением массива комплексов КТ-дефект.

• Разработанные новые методы токовой спектроскопии центров с ГУ в локальных областях р-п структур с помощью электронного зонда и монохроматического ИК света позволили провести исследования дефектов с ГУ в высокоомных полупроводниковых материалах и изучить изменения параметров рекомбинации по толщине эпитаксиального слоя. Применение этих методов позволило впервые в ОаАэ, выращенном методом ЖФЭ из раствора-расплава в ва при высокой температуре кристаллизации, обнаружить образование донорного ЕЬ2-дефекта, определить связь между концентрацией дефектов с ГУ и диффузионной длиной неосновных носителей, а также механизм усиления фототока в ОаАз/АЮаАэ гетероструктурах.

• Разработана методика различения в спектрах БЬТБ сигналов, связанных с состояниями КТ от дефектов с ГУ, позволившая решить такую важную научную проблему, как изучение состояний КТ, ям и глубоких поверхностных состояний на гетерогранице, определения их параметров, а также эффектов взаимодействия с дефектами решетки, влияния внешних и встроенных электрических полей на спектр энергии КТ.

Достоверность основных результатов подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных с помощью различных взаимодополняющих и уточняющих методик, с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными и теоретическими данными изучения электрических, оптических и структурных свойств дефектов с ГУ и массивов самоорганизующихся КТ в эпитаксиальных слоях и структурах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Разработаны электронно-зондовые методы определения электрофизических параметров в локальных участках полупроводниковых структур, включающие.

— метод модуляционной спектроскопии оптических параметров центров с ГУ, основанный на регистрации сигнала фототока Д1, возникающего при одновременном облучении структуры тонким электронным зондом и монохроматическим ИК светом;

— способ определения параметров процесса рекомбинации в квазинейтральных областях и в слое объемного заряда р-п-перехода, основанный на анализе зависимостей величины тока, индуцированного тонким электронным зондом, от положения зонда, напряжения обратного смещения и тока поглощенных электронов.

2. Компенсация нелегированных эпитаксиальных слоев ваЛв, полученных из раствора-расплава в йа, зависит от температуры начала кристаллизации (Ть). С увеличением Тъ растет концентрация собственных точечных дефектов и расширяется их номенклатура. При Ть >800° С в процессе роста СаАв происходит образование ¿—слоя, в компенсации которого наряду с акцепторными дефектами НЬ2 и НЬ5 участвует донорный ЕЬ2-дефект. Термообработка эпитаксиальных слоев ваЛв при Ть>900° С приводит к инверсии проводимости из Iи пв р-тип, которая связана с генерацией нового акцепторного дефекта с глубоким уровнем симметрии А1 и красной границей оптического сечения фотоионизации 360 мэВ.

3. Изменение содержания изовалентной примеси В1 в жидкой фазе хВ1 контролирует концентрацию собственных точечных дефектов, связанных с отклонением состава ваАБ от стехиометрического. Увеличение содержания В! в жидкой фазе от 0 до 0,9 ат.д. приводит к уменьшению на порядок концентрации НЬ2- и НЬ5-дефектов. При хВ (>0,6 ат.д. происходит образование и рост концентрации нового глубокого акцепторного НР1-дефекта, отжигающегося при То>500°С с образованием ЕЬ2-дефекта. Глубокий уровень этого дефекта имеет симметрию А1, красную границу оптического сечения фотоионизации — 360 мэВ и энергию термической эмиссии дырок — 470 мэВ.

4. При радиационном облучении п-ваАБ протонами и электронами высокой энергии происходит генерация ЕЬ2-дефекта, проявляющего эффект гашения фотоемкости. С.

11 ¦) ростом дозы облучения до Фр=1×10 см" наблюдается монотонный рост концентрации ЕЬ2-дефекта. При дозе Фр=1×1012 см" 2 в результате увеличения концентрации радиационных дефектов и усиления взаимодействия между ними происходит модификация электрических свойств ЕЬ2-дефекта: изменяется энергия термической активации и сечение захвата носителей заряда. При этом наблюдается рост концентрации дефектов Е4 и Е5, которые связаны с кластерами взаимодействующих дефектов.

5. В эпитаксиальных п-слоях Alo.3Gao.7As, легированных и выращенных методом МОС гидридной эпитаксии образуется бистабильный дефект, представляющий собой комплекс вакансия мышьяка — примесный донор, с кинетикой конфигурационной трансформации первого порядка и параметрами в стабильном состоянии, совпадающими с дефектом Е1, образующимся при радиационном облучении А^Са^хАэ. При радиационном облучении образца концентрация дефекта в стабильном состоянии увеличивается, но кинетика трансформации определяется единичным прыжком. Дефект становится мультистабильным и является парой Френкеля VAs-Asj.

6. Выращивание InGaAs/GaAs-гетероструктур методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений с in situ отжигом InGaAs слоев способствует, помимо формирования когерентных напряженных островков, являющихся квантовыми точками, аннигиляции дефектов, связанных с образованием дислокаций (EL2) и локализованных на InGaAs/GaAs-гетерогранице. Концентрации остальных точечных дефектов решетки, расположенных в матрице GaAs и ближайшей окрестности с островками InGaAs, уменьшаются более чем на порядок.

7. Наличие собственных точечных дефектов, расположенных вблизи с КТ в (In, Ga) As/GaAs-гетероструктурах, обуславливает возникновение (i) кулоновского взаимодействия носителей, локализованных в КТ, и ионизованных дефектов с ГУ, приводящее к образованию электрического диполя, встроенное поле которого изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии и захвата носителей состояниями точки- (ii) а также метастабильной заселенности состояний КТ, управляемых с помощью оптических и электрических сигналов при изохронных отжигах с включенным/выключенным напряжением смещения (Ura<0, U"rO).

8. Гибридизация квантовых состояний вертикально-сопряженных самоорганизующихся точек в InAs/GaAs-гетероструктурах приводит к сильной зависимости положения уровней энергии связанных и антисвязанных (s) основных и возбужденных (р) состояний ВСКТ от величины приложенного внешнего электрического поля, определяемого как проявление квантово-размерного эффекта Штарка.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IRV Всесоюзных конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Ашхабад, 1976; Одесса, 1982; Минск, 1986, Калуга 1990) — на III+VI Всесоюзных симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Звенигород, 1981, 1984, 1987 и 1989) — V Всесоюзном совещании по исследованию арсенида галлия (Томск, 1982) — Х-КХП Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Минск, 1985; Кишинев, 1988; Киев, 1990) — Всесоюзном семинаре «Применение эпитаксиальной технологии в производстве силовых полупроводниковых приборов» (Сангасте, 1981) — XXI Международной осенней школе по электронной микроскопии «Аналитическая электронная микроскопия» (Халле, ГДР, 1985) — Всесоюзном семинаре «Электронно-зондовые методы исследования полупроводников» (Сухуми, 1986) — Всесоюзной научной конференции «Фотоэлектрические явления в полупроводниках» (Ташкент, 1989) — I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), 1-ом координационном совещании секции «Диагностика полупроводников и полупроводниковых структур» (Наманган, 1990) — 1st International Conference on Epitaxial Crystal Growth (Budapest, Hungary, 1990) — 7th International Conference on Vapour Growth and Epitaxy (Nagoya, Japan, 1991) — (16^-21)th International Conference on Defects in Semiconductors (Bethlehem, USA, 1991; Gmunden, Austria, 1993; Sendai, Japan, 1995; Aveiro, Portugal, 1997; Berkeley, USA, 1999; Giessen, Germany) — Первой национальной конференции «Дефекты в полупроводниках» (Санкт-Петербург, Россия, 1992) — MRS 1992, 1994, 1995 Spring Meeting (San Francisco, USA) — (Н5)-ой Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1995; Москва, 1997; Нижний Новгород, 2001) — 12th International Conference Electronic Properties of Two-Dimensional Sistems (Tokyo, Japan, 1997) — International Workshop on Nano-Physics and Electronics (Tokyo, Japan, 1997) — 1st International Conference on Materials for Microelectronics (Barcelona, Spain, 1994) — International Symposium «Nanostructures:Physics and Technology» (St.Petersburg, Russia, 1997) — 40th Electronic Materials Conference-TMS (Charlottesville, Virginia, 1998) — International Conference Physics at the Turn of the 21st Century (St.Petersburg, Russia, 1998) — International Symposium on Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures (Sapporo, Japan, 1998) — Gordon Research Conference on Point and Line Defects in Semiconductors (Colby-Sawyer College in New London, USA, 1998) — The 24th and 26th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, 1998; Edinburg, Scotland, UK, 2002) — ISTC-Samsung Forum (Moscow, 2001) — Совещании «Нанофотоника» (Н.Новгород, 2000;2003).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 41 статья и 2 авторских свидетельства, список которых приводится в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Она содержит 293 страницы, включая 100 рисунков, 13 таблиц, 294 ссылок.

Основные результаты опубликованы в следующих статьях:

1. Белобородко Б. А., Конников С. Г., Соболев М. М., Троп Э. Ф. О поведении тока, индуцированного электронным зондом, в области объемного заряда структур с р-п переходом// ЖТФ, 1981, том LI, № 10, с.2129−2131.

2. Жолудев В. М., Конников С. Г., Константинов А. О., Соболев М. М. Роль эффекта перепоглощения при определении диффузионной длины носителей заряда (L.

3. Конников С. Г., Константинов А. О., Соболев М. М. Исследования с помощью электронного зонда процессов безызлучательной рекомбинации в структурах на основе слаболегированного GaAs// ФТП, 1982, том 16, в. 6, с. 1019−1022..

4. Дмитриев А. П., Конников С. Г., Соболев М. М. Локальный анализ глубоких центров с помощью электронного зонда// Изв. АН СССР, сер. физ., 1984, том 48, № 12, с. 2360−2365..

5. Соболев М. М., Конников С. Г., Степанова М. Н. Исследования глубоких центров в нелегированном GaAs с помощью электронного зонда// ФТП, 1984, том 18, в. 2, с. 383−385..

6. Bagraev N.T., Konnikov S.G., Raitsin A.B., Sobolev М.М. The study of the influence of deep level defects on GaAs epilayer e lectrophysical parameters with e lectron b earn and photoelectron paramagnetic resonance methods// Cryst. Res. Technol., 1985, v. 20, N. 3, p. 1387−1391..

7. Конников С. Г., Соболев M.M., Дмитриев А. П., Яссиевич И. Н. Индуцированный ток в р-п структурах при локальной перезарядке глубоких уровней// Изв. АН СССР, сер. физ., 1987, том 51, № 3, с.426−432..

8. Конников С. Г., Соболев М. М. Определение параметров безызлучательной рекомбинации в р-п структурах с помощью электронного зонда// ФТП, 1987, том 21, в. 5, с. 938−941..

9. Конников С. Г., Машевский А. Г., Синицин М. А., Соболев М. М., Явич Б. С. Механизм усиления фототока в GaAs-AlGaAsструктурах// ФТП, 1987, том. 21, в.7, с. 1327−1329..

10. Соболев М. М., Брунков П. Р., Конников С. Г., Степанова М. Н., Никитин В. Г., Улин В. П., Долбая А. Ш., Камушадзе Т. Д., Майеурадзе P.M. Механизм компенсации в многослойных структурах на основе нелегированного GaAs, выращенных из раствора-расплавав Ga// ФТП, 1989, в.6, с.1058−1064..

11. Соболев М. М., Брунков П. Р., Конников С. Г. Спектроскопия глубоких уровней p-i-n структур и плавных р-n переходов в растровом электронном микроскопе// Изв. АН СССР, сер.физ., 1989, том., 54, № 2, с.264−266..

12. Брунков П. Р., Конников С. Г., Папенцев М. И., Соболев М. М., Степанова М. Н. Бистабильные дефекты в GaAs, выращенном методом жидкофазной эпитаксии// ФТП, 1989, том 23, в. 9, с. 1689−1691..

13. Брунков П. Р., Калиновский B.C., Конников С. Г., Соболев М. М., Сулима О. В. Особенности поведения радиационных дефектов в структурах на основе AlxGai. xAs/GaAs// ФТП, 1990, том 24, в. 7, с. 1320−1322..

14. Брунков П. Р., Евтихиев В. П., Конников С. Г., Котельников Е. Ю., Папенцев М. И., Соболев М. М. Обнаружение нового метастабильного уровня DX-центра в тонких легированных Si слоях AlxGai. xAs// ФТП, 1990, том 24, в. 11, с. 1978;1982..

15. Брунков П. Н., Гайбуллаев С., Конников С. Г., Никитин В. Г., Папенцев М. И., Соболев М. М. Дефекты с глубокими уровнями в GaAs, выращенном из раствора-расплава Ga-Bi// ФТП, 1991, том 25, в.1, с.338−342..

16. Brunkov P.N., Konnikov S.G., Nikitin V.G., Sobolev M.M., Stepanova M.N. Deep levels in undoped GaAs grown by LPE// Proceedings of the 1st International Conference on Epitaxial Crystal Growth, Budapest, Hungary, April 1−7, 1990 (Crystal Properties and Preparation, 1991, v.32−34, p.546−548)..

17. Brunkov P.N., Kalinovky V.S., Nikitin V.G., Sobolev M.M. Generation of the EL2 defect in n-GaAs irradiated by high energy protons// Semicond.Sci.Technol., 1992, v.7, p.1237−1240..

18. Brunkov P.N., Konnikov S.G., Sobolev M.M. Generation of the EL2 defect in n-GaAs irradiated by high energy protons// Defect and Diffusion Forum, 1993, vols.103−105, p. l 11−117,.

19. Соболев M.M., Гитцович A.B., Папенцев М. И., Кочнев И. В., Явич Б. С. Механизм деградации (GaAs/AlGaAs) — лазера с квантовой ямой// ФТП, 1992, том 26, в.10, с. 1760−1767..

20. Sobolev М.М., Gittsovich A.V., Konnikov S.G., Kochnev I.V., Yavich D.S. Deep level defects detection in degradation GaAs/ AlGaAs well laser// Proceeding of the 17th International Conference on Defects in Semiconductors, ICDS-17, (Materials Sci. Forum, 1994, vols. 143−147, pp. 1547−1552)..

21. Соболев М. М., Кочнев И. В., Паленцев М. И. Новый бистабильный дефект с глубокими уровнями в AlxGai. xAs, легированном Si// ФТП, 1994, том 28, в. 4, с. 663−670..

22. Sobolev М.М., Kochnev I.V., Papentsev M.I., Kalinovsky V.S. A bistable defect in Si-doped AlGaAs// Proceeding of the 18th International Conference on Defects in Semiconductors, ICDS-18, Sendai, Japan, July 23−28,1995 (Materials Sci. Forum, 1995, v.196−201, pt.2, p.1097−1102)..

23. Abramov A.V., Deryagin N.G., Deryagin A.G., Kuchinsky V.I., Sobolev M.M., Papentsev V.I. Optical induced anneal of GaAs and AlGaAs layers// Proceeding of the 18th International Conference on Defects in Semiconductors, ICDS-18, Sendai, Japan, July 23−28, 1995 (Materials Sci. Forum, 1995, vols 196−201, pt.3, p.1437−1442)..

24. Sobolev M.M., Kochnev I.V., Papentsev M.I., Kalinovsky V.S. Metastable defects in as-grown and electron irradiated AlGaAs// Semicond. Sci. Technol., 1996, v. l 1, p.1692−1695..

25. Соболев M.M., Абрамов A.B., Дерягин Н. Г., Дерягин А. Г., Кучинский В. И., Паленцев М. И. Рекомбинационно-стимулированный отжиг в слоях GaAs и AlGaAs// ФТП, 1996, том. 30, в. 6, с. 1108−1114..

26. Соболев М. М., Ковш А. Р., Устинов В. М., Жуков А. Е., Максимов М. В., Леденцов Н. Н., Нестационарная спектроскопия глубоких уровней InAs/GaAs лазерных структур с вертикально-связанными квантовыми точками// ФТП, 1997, том 31, в. 10, с. 1249−1254..

27. Sobolev М.М., Kovsh A.R., Ustinov V.M., Zhukov A.E., Maximov M.V., Ledentsov N.N. Coulomb interaction between carriers localized in InAs/GaAs quantum dots and on point defects// Proceeding of 19th Int.Conf. on Defects in Semiconducturs, July 21−25, 1997, Aveiro (Portugal), Material Sci. Forum, 1997, Vols 258−263, pt.3 pp.1619−1624..

28. Sobolev M.M., Kovsh A.R., Ustinov V.M., Egorov A.Yu., Zhukov A.E., Maximov M.V., Ledentsov N.N. Deep level transient spectroscopy of the InAs/GaAs vertically coupled quantum dot laser structures// Proceeding of Internal Symp. «Nanostructures: Physics and Technology». June 2327,1997, St. Petersburg, Russia, p.274−277..

29. Соболев M.M., Никитин В. Г. Высокотемпературный диод на основе эпитаксиальных слоев GaP// Письма в ЖТФ, 1998, том 24, в.9, с.1−7..

30. Соболев М. М., Ковш А. Р., Устинов В. М., Егоров А. Ю., Жуков А. Е., Мусихин Ю. Г. Емкостная спектроскопия глубоких состояний в InAs/GaAs гетероструктурах с квантовыми точками// ФТП, 1999, том 33, в.2, с. 184−193..

31. Sobolev М.М., Kovsh A.R., Ustinov V.V., Egorov A.Yu., Zhukov A.E., Musikhin Yu.G. Metastable population of InAs/ GaAs state in self assembled quantum dots// J. Electronic Mat., 1999, vol.28, p.491−495..

32. Sobolev M.M., Kochnev I.V., Lantratov V.M., Cherkashin N.A., Emtsev V.V. Hole and electron traps in the InGaAs/GaAs heterostructures with quantum dots// Physica B. Cond matter. ,.

1999, vol.273−274, pp.959−962..

33. Соболев M.M., Кочнев И. В., Лантратов B.M., Берт Н. А., Черкашин Н. А., Леденцов Н. Н. Термоотжиг дефектов в InGaAs/GaAs гетероструктурах с трехмерными островками// ФТП,.

2000, том 34, в. 2, с. 200 -210..

34. Соболев М. М., Кочнев И. В., Лантратов В. М. Взаимодействие квантовых точек и дефектов в полупроводниковых гетероструктурах (InAs)Ga/GaAs// Материалы совещания «Нанофотоника». Н.Новгород. 2000, с. 62−65..

35. Medvedkin G.A., Sobolev М.М., Solov’ev S.A. P-n and p-n-p junction arrays in CuInSe2 crystals: Cathodoluminescence and capacitance study// J.Appl.Phys., 1997, Vol 82, pp.5167−5175..

36. Соболев M.M., Кочнев И. В., Лантратов B.M., Леденцов Н. Н. Исследования захвата электронов квантовыми точками с помощью нестационарной спектроскопии глубоких уровней// ФТП, 2001, том 35, в. 10, с. 1228 -1233..

37. Sobolev М.М., Lantratov V.M. The influence of Coulomb effects on electron emission and capture in InGaAs/GaAs self-assembl quantum dots// Physica B. Cond matter., 2001, Vol. 308 -310, pp. 1113−1116..

38. Соболев M.M., Лантратов В. М. Влияние кулоновского взаимодействия квантовых точек и дефектов в InGaAs/GaAs гетероструктурах на процессы теплового захвата электронов// Материалы совещания «Нанофотоника». Н.Новгород. 2001, с. 85−88..

39. Соболев М. М., Устинов В. М., Жуков А. Е., Мусихин Ю. Г., Леденцов Н. Н. Исследования эффекта Штарка вертикально сопряженных квантовых точек в гетероструктурах InAs/GaAs// ФТП, 2002, т.36, в.9, с. 1089−1096..

40. Sobolev М.М., Ustinov V.V., Zhukov А.Е., Ledentsov N.N. Quantum-confined Stark effect in InAs/GaAs vertically coupled quantum dots// Proceeding of 26th Intern. Conf. On the Physics of Semicond., Edinburgh, Scotland, UK, 29 July — 2 August, 2002..

41 Соболев M.M., Устинов B.M., Жуков A.E. Штарк эффект в InAs/GaAs гетероструктурах с вертикально-сопряженными квантовыми точками// Материалы совещания «Нанофотоника». Н.Новгород. 2003, с. 471−420..

42. Конников С. Г., Соболев М. М. Способ контроля качества полупроводниковых структур// А.с. СССР, № 1 124 805..

43. Конников С. Г., Соболев М. М. Способ определения электрофизических параметров полупроводниковых материалов//А.с.СССР, № 1 529 938..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Сформулируем в заключении основные выводы из диссертационной работы..

1. Разработан новый модуляционный метод спектроскопии оптических параметров глубоких уровней в локальных областях полупроводниковой структуры, основанный на регистрации модуляционного сигнала фототока Д1, возникающего при одновременном облучении структуры электронным зондом и монохроматическим ИК светом. Метод позволяет определять такие оптические параметры ГУ как: энергетическое положение ГУ в запрещенной зоне Е0, концентрацию дефектов с ГУ в локальных участках структур Nt, границы их ионизации..

2. Разработан способ определения параметров процесса рекомбинации в квазинейтральных областях и в слое объемного заряда р-пперехода, основанный на анализе зависимостей величины тока, индуцированного тонким электронным зондом, от положения зонда, напряжения обратного смещения и тока поглощенных электронов. К числу этих параметров относятся: диффузионные длины неосновных носителей заряда (L Nt и Nd, a < Nt)..

3. Разработана методика C-Vи DLTS-измерений, позволяющая различать спектры пространственно-локализованных состояний (поверхностных, квантовых точек, ям) от спектров дефектов с ГУ, распределенных по толщине эпитаксиального слоя..

4. Установлено влияние температуры начала кристаллизации (Ть) на механизм компенсации нелегированных эпитаксиальных слоев GaAs, полученных методом ЖФЭ из раствора-расплава в Ga. Показано, что в слоях GaAs при ТЬ=650+800°С происходит образование п°-слоя, в компенсации которого совместно с фоновой примесью участвуют акцепторные ГУ HL2 и HL5. При этом с ростом Ть концентрации уровней HL2 и HL5 возрастают до 2×1014 см" 3 и 7×1013 см*3. Установлено, что при Ть>850°С образуется i-слой, в компенсации которого наряду с акцепторными дефектами и примесями участвует донорный ЕЬ2-дефект (AsGa) с концентрацией 5×1014 см" 3 и проявляющий эффект метастабильности..

5. Показана высокая термостабильность эпитаксиальных слоев GaAs в диапазоне То=500+850°С. Обнаружено, что при температуре выше 900 °C происходит инверсия типа проводимости п°- и i-слоев в р°-тип, связанная с образованием нового акцепторного дефекта с ГУ симметрии Аь имеющим красную границу оптического сечения фотоионизации 360 мэВ и термическую энергию активации 330 мэВ..

6. Обнаружена зависимость концентрации собственных дефектов с ГУ от содержания изовалентной примеси Bi в растворе-расплаве Ga-Bi, связанная с контролированием отклонения состава GaAs от стехиометрического. Установлено, с увеличением содержания Bi в жидкой фазе от 0 до 0,9 атомной доли происходит уменьшение концентрации HL2- и HL5-дефектов до 4*1012 см-3 и 3*1012 см-3. При хщ>0,6 ат.д. наблюдается образование новых дырочных ловушек HF1 и EL2, концентрации которых растут при приближении хщ к 1 и связываются с изменением состава расплава в сторону увеличения содержания As по отношению к Ga..

7. Экспериментально показано, что природа собственных HL2- и НЬ5-дефектов связана с комплексами, в состав которых входит VAs, в то время как HF1-дефект, который отжигается при температуре То>400°С с образованием ЕЬ2-дефекта, связан с As? и VGa и имеет уровень с симметрией Аь Параметры HF1-уровня: спектральная зависимость с красной границей 0,36 эВ и острым максимумом сечения фотоионизации 0,55 эВ, были подобны уровню, обнаруженному в нелегированном GaAs после его термообработки при температуре Т = 950° С..

8. Обнаружено образование электронных ловушек, связанных с Vas и AsGa в эпитаксиальных слоях GaAs и AlGaAs, выращенных методом ЖФЭ при сверхвысоких скоростях охлаждения. Показано, что облучение этих слоев лазером с длиной волны к =0,51 мкм приводит к частичному оптически индуцированному отжигу дефектов и к рекомбинационно-генерационному процессу диффузии примеси с образованием комплекса вакансия мышьяка-донорная примесь..

9. Обнаружено, что в эпитаксиальных слоях GaP, выращенных методом ЖФЭ, с увеличением Ть от 700 до 950 °C концентрация свободных электронов падает от 1,5×1017 см" 3 до 7,0×1014 см-3, в то время как концентрация дефектов увеличивается в диапазоне от З, 5×1012см3 до 8,0×1013cm" 3..

10. Показано, что высококачественные р±п°-п±структуры GaAs и GaP могут послужить основой для создания линейных датчиков температуры с предельными характеристиками 4,2+560 К и 77+740 К соответственно, что определяется низким уровнем концентрации фоновой примеси и дефектов с ГУ..

11. Установлено, что гигантский механизм усиления фотосопротивлений связан с наличием области поверхностного заряда и пространственного разделения им дырок и электронов, приводящего к значительному увеличению их времени жизни..

12. Установлено, что DX-центр в зависимости от условий изохронного отжига и последующего охлаждения может находиться в одной из конфигураций — стабильной и метастабильной. Стабильная конфигурация характеризуется состоянием самозахвата с энергией термической эмиссии 442 мэВ. Метастабильная конфигурация определяется антисвязанным локализованным Ai состоянием с энергией термической эмиссии 181 мэВ и не имеет барьера для захвата электронов..

13. Обнаружено в эпитаксиальных п-слоях Alo.3Gao.7As, легированных Si и выращенных методом МОС гидридной эпитаксии, образование нового бистабильного дефекта, представляющего собой комплекс VAs-примесный донор с кинетикой конфигурационной трансформации первого порядка и параметрами в стабильном состоянии, совпадающими с радиационным Е1-дефектом. При радиационном облучении образца концентрация Е1-дефекта в стабильном состоянии увеличивается, но кинетика трансформации определяется единичным прыжком. Дефект становится мультистабильным и является парой Френкеля VAs-Asi..

14. Обнаружено образование ЕЬ2-дефекта при облучении n-GaAs высокоэнергетичными протонами, проявляющего эффект гашения фотоемкости, природа которого связана с Asoa.

15. Установлено образование бистабильного кластера радиационных дефектов, происходящего при облучение солнечных элементов на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур протонами с энергией 6,7 МэВ при дозах Фр>1><1012 см" 2..

16. Показано, что основным механизмом, приводящим к деградации лазерных AlGaAs/GaAs-гетероструктур с квантовой ямой, выращенных методом МОС гидридной эпитаксии, является процесс рекомбинационно-стимулированного переползания дислокаций, связанный с поглощением точечных дефектов Vas, расположенных как на гетерогранице, так и в эпитаксиальных слоях. Процесс переползания дислокаций сопровождается генерацией дефектов Asoa и Voa.

17. Установлено, что образование трехмерных островков с дислокациями несоответствия происходит при выращивании InGaAs/GaAsгетероструктур методом ГФЭ МОС без отжига. В случае проведения in situ отожига InGaAs слоев, помимо формирования когерентных напряженных островков, являющихся КТ, наблюдается аннигиляция дефектов, связанных как с образованием дислокаций (EL2), так и локализованных на InGaAs/GaAs-гетерогранице. Концентрации остальных точечных дефектов решетки, расположенных в матрице GaAs и ближайшей окрестности с островками InGaAs, уменьшаются более чем на порядок и становятся сравнимыми с поверхностной концентрацией КТ..

18. Обнаружено, что при низкотемпературном осаждении и заращивании ВСКТ InAs методом МПЭ в эпитаксиальных слоях GaAs происходит генерация точечных дефектов в ближайших окрестностях с КТ, возникающая из-за локальной нестехиометрии состава и искажений кристаллической решетки в локальных областях структуры..

19. Установлено, что наличие собственных точечных дефектов с ГУ, расположенных вблизи с КТ в (1п, Оа) Ав/ОаАз-гетероструктурах, обуславливает возникновение (1) кулоновского взаимодействия носителей, локализованных в КТ, и ионизованных дефектов с ГУ, приводящего к образованию электрического диполя, встроенное поле которого изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии и захвата носителей состояниями точки- (11) метастабильной заселенности состояний КТ. Эти эффекты управляются с помощью оптических и электрических сигналов при изохронных отжигах с включенным/выключенным напряжением смещения (ига<0, ига=0). Они возникают в (1п, Оа) Аз/ОаАзгетероструктурах с одиночными и вертикально-сопряженными КТ, получаемых методами МПЭ и ГФЭ МОС. Определено, что метастабильная заселенность состояний КТ обнаруживается, если концентрация дефектов с ГУ в слое ваАБ превышает концентрацию легирующей примеси и КТ в структуре..

20. Обнаружено, что носителям в (1п, Оа) Аз/ОаАз-гетероструктурах с КТ для их захвата квантовыми состояниями точки необходимо преодолеть барьер энергии, высота которого зависит от условий изохронного отжига при включенном/выключенном напряжении смещения (ига<0 ига=0), а также длительности импульса заполнения. При отжиге с ига<0 происходит формирование диполя, встроенный электростатический потенциал которого уменьшает разрыв зон на гетерогранице, понижая барьер для эмиссии и захвата электрона КТ. При отжиге с ига=0 образования диполя не происходит, и величина разрыва зон определяется условиями формирования гетерограницы при росте структуры и изменяется в зависимости от длительности импульсов захвата 1Р от 48 до 105 мэВ..

21. Обнаружено проявление эффекта кулоновской блокады в зависимости от длительности импульса заполнения. Показано, что при отжиге с ига<0 не происходит полного исчезновения барьера для захвата электрона, его величина при длительности импульсах захвата 1Р<5 мкс остается равной мэВ и связывается с эффектом кулоновской блокады для захвата второго электрона на основное состояние КТ. При импульсах захвата 1р > 5 мкс высота барьера увеличивается на «56 мэВ, что определяется эффектом кулоновской блокады для захвата третьего электрона на возбужденное состояние КТ..

22. Установлено, что гибридизация квантовых состояний вертикально-сопряженных самоорганизующихся точек в 1пАз/ОаАзгетероструктурах наблюдается при толщине прослоек GaAs между рядами InAs KT dGaAs=40A, а при doaAs>50A — эффект локализации дырок в одной из точек КТ-молекулы..

23. Обнаружено, что в InAs/GaAs-гетероструктурах с ВСКТ существует сильная зависимость положения уровней энергии, связанных и антисвязанных (s), основных и возбужденных (р) состояний для дырок ВСКТ от величины приложенного внешнего электрического поля, определяемого как проявление квантово-размерного эффекта Штарка..