CC BY
23
УДК 621.315.592.3
ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫЙ отжиг ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР
СаАэ / АЮаАя
Н. Н. Лойко, В. М. Коннов, Т. В. Ларикова
Исследованы квантово-размерные структуры
СаЛб/Л/о.гз^ао.гг^^, имплантированные ионами 1 4К6 до расчетных концентраций 1015 — 101' см~3 и прошедшие фотостимулированный отжиг. Отжиг проводился ступенчато в интервале температур 350 - 725°С с длительностью каждой ступени 5 минут. По данным фотолюминесценции оценена степень восстановления квантово-размерных структур после имплантации и отжига.
Об ионной имплантации квантово-размерных структур СаАв/АЮаАв уже сообща лось [1]. Данная работа является продолжением исследований ионно-имплантированных структур пониженной размерности.
При проведении имплантации одновременно с введением примеси создается большое количество радиационных дефектов (более 100 дефектов на один имплантированный атом). Поэтому после имплантации проводят отжиг, цель которого - уменьшить концентрацию дефектов и активировать оптически или электрически имплантированную примесь.
Ранее для объемных кристаллов III-V нами был опробован и хорошо себя зареко мендовал фотостимулированный отжиг (ФСО) [2, 3, 4]. ФСО можно рассматривать как один из вариантов скоростного термического отжига. Суть метода заключает ся в совместном световом и тепловом воздействии на образец в атмосфере водорода (р ~ 1 атм). Роль водорода в пассивации и уменьшении числа оборванных связей хорошо известна. В процессе отработки технологического режима были подобраны интенсивность, спектральный состав падающего на образец света, температура и длительность отжига. Несмотря на то, что механизм ФСО неясен, использование этой
методики позволяет не только проводить отжиг без защитного покрытия, но и получить более интенсивную редкоземельную фотолюминесценцию (ФЛ) по сравнению с термическим отжигом под защитным покрытием.
В статье [1] описаны как структура СаАз/А1012зСа0<77Аз, которая была использована в качестве модельного объекта в данной работе, так и процедура имплантации ионов УЬ. Как показал анализ профилей распределения УЬ по глубине в объемных кристаллах А3В5, полученных методом вторичной ионной масс-спектроскопии до и после ФСО. этот ион при использованных условиях имплантации практически не диффундирует вглубь образца [5]. В исследуемых структурах УЬ находился в основном в первом барьере. Имплантации подвергалась половина каждого образца (А - неимплантированная. В имплантированная часть). После имплантации образцы проходили ступенчатый изохронный ФСО длительностью 5 минут в интервале температур 350 700°С с шагом 20 - 50°С. Контроль за ходом ФСО осуществлялся по измерениям ФЛ [1]. Спектры ФЛ регистрировались непосредственно после имплантации и после каждого отжига для обеих частей образца. Степень восстановления структур после ФСО оценивалась по положению экситонных пиков в спектрах ФЛ, их интенсивности и по полуширине пиков на полу высоте 6г.
Сразу после имплантации УЬ с расчетной концентрацией порядка 1015 см~л интенсивность излучения экситонных пиков уменьшилась по сравнению с исходной в первой яме приблизительно на порядок, во второй - в 2 - 3 раза, в третьей же практически не изменилась. ФСО образца при 350°С привел к полному отжигу дефектов в первой и второй квантовых ямах и практически не повлиял на спектры ФЛ части А это! о образца.
На образце с концентрацией УЬ порядка 1016 см~3 сразу после имплантации наблю дался только один экситонный пик, связанный с третьей квантовой ямой, интенсивность которого уменьшилась, по сравнению с частью А, более чем на порядок (рис. 1.1. 1.3). Излучение экситонов, локализованных во второй квантовой яме 8095 А), было заре гистрировано после ФСО при 350°С, увеличение температуры отжига до 400°С привело к появлению экситонного пика, связанного с первой квантовой ямой (А = 8005 — 8010 А) (рис. 1.4). Интенсивности экситонного излучения второй и третьей квантовых ям по порядку величины достигли значений, которые они имели до имплантации, после ФСО при 700°С (рис. 1.5). Таким образом, радиационные дефекты, введенные во время имплантации, удалось отжечь в первой яме частично, а во второй и третьей яме прак тически полностью.
Рис. 1. Спектры ФЛ двух частей образца: А - неимплантированная часть, В часть, имплантированная У b до расчетной концентрации порядка 1016 см~3. 1 - исходный образец. 2 - после ФСО при 700°С, 3 - сразу после имплантации, 5 - после ФСО при 400°С и 700"С
Рис. 2. Спектры ФЛ двух частей образца: А - неимплантированная часть, В часть имплантированная Уb до расчетной концентрации порядка 101' см~3. 1 - исходный образе ц. 2 - после ФСО при 700°С, 3, 4, 5, 6 - после ФСО соответственно при 350°С, 500°С, 600°С и 700°С.
На рис. 2 показаны спектры образца с расчетной концентрацией имплантированного УЬ порядка 1017 см'3. Непосредственно после имплантации интенсивность экситонных пиков уменьшилась приблизительно на три порядка. Соотношение интенсивностей пиков различных ям подобно наблюдаемому на части А. После ФСО при температуре 550 - 600°С распределение интенсивностей меняется - доминирующую роль начинаем играть излучение третьей, самой удаленной от поверхности ямы.
Эволюция интенсивностей экситонных пиков с ростом температуры изохронного отжига для обеих частей образцов с расчетными концентрациями УЬ ~ 1016 см~3 и Ю17 см~3 приведена на рис. 3. Видно, что с ростом дозы облучения и после ФСО при
Рис. 3. Зависимость интенсивностей ФЛ экситонных пиков от темп< ратуры Та изохронного ФСО для образцов, имплантированных УЬ до расчетных концентраций порядка 10 I 1017 см."3. 1, 2, 3 - соответственно для первой, второй и третьей квантовых ям; сплошные кривые - неимплантированная часть образца, пунктирные кривые - имплантировании а часть образца.
700°С интенсивность излучения экситонов, локализованных в ямах, все больше o i м чается от первоначальных (доимплантационных) значений. При этом, чем ближе яма расположена к поверхности, тем заметнее это отличие. Появление и устойчивый харак тер этой тенденции говорит о накоплении имплантационных дефектов и о генерации термодефектов в приповерхностных областях квантово-размерной структуры Такие же явления наблюдаются при отжиге объемных ионно-имплантированных кристаллов GaAs в интервале температур 550 - 700°С.
Спад интенсивности экситонной ФЛ для неимплантированных частей образцов в диапазоне температур 450 - 550°С аналогичен спаду интенсивности краевой люминес ценции для неимплантированных кристаллов GaAs. Считается, что при этих темпе ратурах в объем полупроводника попадает большое количество точечных дефектов.
обусловленное распадом протяженных дефектов, что приводит к гашению краевой люминесценции. По-видимому, такой ход интенсивности излучения экситонных пиков, на блюдаемый для неимцлантированных частей образцов, говорит о наличии ростовых дефектов в структуре (скорее всего, в буферном слое).
Таким образом, ход изохронного отжига для квантово-размерной структуры и для кристаллов СаАв сходен, в обоих случаях восстановление кристаллической решетки начинается с незатронутых постимплантационными дефектами областей, и процесс распространяется по направлению из глубины к поверхности.
Рис. 4. Спектры ФЛ образца, имплантированного УЬ до расчетной концентрации порядка 1016 см'3 и прошедшего изохронный ФСО при температурах 650°С (1), 700°С (2) и 725"С (3). 6 полуширина экситонного пика на полувысоте, АЕ{ - смещение положения экситон-ного пика.
Отметим также, что отжиг структур в диапазоне 350 - 700°С независимо от концентрации УЬ (от 1015 до 101' см~3) не приводил к деградации структур, т.е. не менялось ни спектральное положение экситонных пиков, ни полуширина каждого из экситонных
пиков. Однако дальнейшее повышение температуры отжига до 725°С радикально изме нило спектр ФЛ.структуры (рис. 4). Экситонные линии сдвинулись в коротковолновую область. Пики существенно уширились, причем уширение носило несимметричный хл рактер. Можно предположить, что это обусловлено диффузией А1 из материала барьер;: в материал ямы и размытием границ раздела барьер - яма. В результате квантовые ямы становятся не прямоугольными, а скорее всего, трапециевидными. При этом эф фективная ширина каждой из ям уменьшается. Этот процесс наиболее ярко выражен для первой, ближайшей к поверхности, квантовой ямы, в которой концентрация пост им-плантационных дефектов выше, чем в более глубоко расположенных квантовых ямах. По-видимому, это означает, что наиболее существенную роль в деградации структуры играет радиационно-стимулированная диффузия А1. Однако не менее важным фактором, влияющим на термостабильность квантово-размерных структур, является и исходная концентрация ростовых дефектов в буфере и подложке.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 96-02-18206а) и программы "Физика твердотельных нанострук тур" (проект 1-008).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Б о р о д и н а О. М., Д р а в и н В. А., Казаков И. П. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, (1996).
[2] Г у к а с я н А. М., К о н н о в В. М., Л о й к о H.H. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3-4, 44 (1992).
[3J Г у к а с я н А. М., К о н н о в В. М., Л о й к о H.H. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3-4, 47 (1992).
[4] Г у к а с я н А. М., К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 5-6, 63 (1992).
[5] Б о р о д и н а О. М., К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, 11 (1993).
Поступила в редакцию 8 июля 1996 г
