CC BY
12
УДК 621.315
ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ Аг+ НА ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО СаАя1
П. Д. Бекрис2, А. С. Менунос2, П. К. Евфимиу2, В. С. Вавилов , К. Д. Куркутас3
Приведены результаты измерений гальваномагнитных характеристик полуизолирующего СаЛб (нелегированного, а также слабо- и сильнолегированного Сг) до и после имплантации ионов Аг+. Измерялись удельное сопротивление и магнетосопротивление, а также холловская постоянная (методом Ван дер Пау); получены данные о слоевой концентрации носителей заряда и о их подвижности. Измерения проводились как при повышенных, так и при низких температурах. Согласно результатам измерений, концентрация носителей заряда сильно возрастает после ионной имплантации, в то время как их подвижность существенно снижается при повышенных температурах. При низких температурах, прыжковая проводимость в СаАэ, легированном Сг, по-видимому, существенна после ионной имплантации.
Ионная имплантация становится в настоящее время одним из незаменимых методов модификации свойств полупроводников и других твердотельных материалов. В случае монокристаллов Яг, основные результаты ионной имплантации и последующих отжигов хорошо изучены и предсказуемы [1]. Однако в случае СаАв, который является одним из наиболее важных полупроводниковых материалов, система дефектов, возникающих при
1 Работа выполнена в рамках Соглашения между Грецией и Россией.
2Афинский университет, Физический факультет, кафедра физики твердого тела.
3Афинский технологический учебный институт.
ионной имплантации, значительно более сложная и заслуживает дальнейшего экспериментального иссследования. В данной работе мы исследовали полуизолирующий СаЛз. Первоначальные данные соответствующих экспериментов были приведены в работе [2]. проведение которой было инициировано начавшимся использованием ионной импланта ции в технологии СВЧ полевых транзисторов и других приборов, где требуется высокая подвижность носителей заряда. Выводы, сделанные авторами [2], были важны для улучшения технологии выращивания полуизолирующего СаАв. Дополнительные данные были получены в работе [3]. Влияние имплантации ионов Лг+ на удельную электропроводность СаАз было подробно изучено в работе [4], где было предположено, что наблюдавшиеся явления обусловлены аморфизацией материала. Было найдено, что доза насыщения составляет 1012 Аг+/см2. Методы определения профилей концентрации и подвижности носителей заряда были улучшены в работе [5]. В данном сообщении мы приводим данные о концентрации и подвижности носителей заряда в нелегированном и легированном С г полуизолирующем СаАв до и после имплантации ионов Аг+.
10
s
0 с"
1 1012
1 10й
0 10
3 10 9
1 10 л . „8 э- ю
Е 7
8 10
Е , „6
>6000 ь 5500 В 5000 ¿4500 5 4000 § 3500 ¡3000 §2500
2.7 2.8 2.93.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
1000/Т, к"1
^ 2000
2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
1000/Т, К
-1
Рис. 1. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в образце нелегированного полуизолирующего СаАэ до и после имплантации ионов Аг+ с различными дозами: (□) неимплантированный, (Д)1012 см"2, (и)1014 см~2.
Рис. 2. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в нелегированном полуизолирующем СаАй до и после имплантации ионов Аг+ с различными дозами: (□) неимплантированный, (Д)1012 см~2, (я)1014 см~2.
Образцы были вырезаны из пластин полуизолирующего GaAs, изготовленного фирмой Walker (Германия); толщина образцов была 0.3 мм. Исследовались 3 типа образцов:
(а) нелегированный GaAs; (б) слаболегированный хромом (1015 см~3) GaAs; (в) сильнолегированный хромом (101' см~3) GaAs. Ток измерялся динамическим электрометром фирмы CARRY, а напряжение - электрометром фирмы Keithley. Имплантация ионов Аг+ с энергией 100 кэВ проводилась при комнатной температуре в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (Москва). Образцы помещались в криостат. Согласно данным Гиббсона [6], толщина ионно-имплантированного слоя составляла примерно 0.07 мкм. Дозы ионов Аг+ были 1012 см"2 и 1014 см~2. Измерения проводились как при повышенных, так и при пониженных температурах.
s
о 14 = 10 3
о 10
|ю12 u 1 о
0 111
I10
1 108 а 10
I ю I юб
CQ
2500
^2000 i
¡2 1500
о
ж 1000
3 с
о
2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.63.7 1 ООО/Т, к"1
2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
1 ООО/Т, к"1
Рис. 3. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в образце 5 полуизолирующего СаАй, легированного хромом, до и после имплантации ионов Аг+ с различными дозами: (□) неимплантированный, (Д)1012 см"2, (■)1014сл-2.
Рис. 4. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в образце 5 полуизолирующего ОаАв, легированного хромом, до и после имплантации ионов Аг+ с различными дозами: (□) неимплантированный, (А)1012 см"2, (и)1014 см~2.
В неимплантированном нелегированном полуизолирующем СаАэ слоевая концентрация электронов п значительно ниже, чем в ионно-имплантированном материале при тех же температурах (рис. 1). Это связано с тем, что при имплантации создаются центры с энергетическими уровнями, приводящими к генерации свободных электронов. По данным емкостной спектроскопии глубоких уровней [7], существуют 3 типа таких центров, но наиболее важную роль играет центр с энергетическим уровнем на 0.49 э В ниже дна зоны проводимости. Тот факт, что подвижность в нелегированном материале как до, так и после имплантации, достаточно высока (рис. 2), говорит о том, что подвижность относится к электронам в зоне проводимости, которые возбуждаются термически
с дефектов, введенных при имплантации.
В СаАв, легированном Сг (рис. 3, 4), уровень Сг, расположенный на 0.7 эВ ниже дна зоны проводимости, захватывает электроны с дефектов донорного типа; в резуль тате, при пониженных температурах, когда термическое возбуждение создает лишь незначительную концентрацию электронов в зоне проводимости, механизм прыжковой проводимости оказывается предпочтительным. Очевидно, это явление наиболее суще ственно в случае имплантации с большой дозой ионов, когда концентрация носителей заряда достигает насыщения при температуре, несколько ниже 300 А'.
0
ж 10
У 1«;
5 10
1 ю14
| ю13
1 ю12
| 10"
| Ю10
£ ю9
> 10000 га
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1000Л", к'1
2 о
л н о о
5
03
§
с
1000 ■
100
10
н-1-1-н
н
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14
1000/Т, К"'
Рис. 5. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в нелегированном полуизолирующем СаАв (□) и в образцах 5 (■) и 6 (А) полуизолирующего СаАв, легированного хромом, после имплантации 1012Аг+/см2.
Рис. 6. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в нелегированном полуизолирующем СаАв (□) и в образцах 5 (А) и 6 (и) полуизолирующего йаАв, легированного хромом, после имплантации 1012 Аг+/см2
Измерения проводились также и при более низких температурах. Для сравнения на рис. 5 приведены концентрации носителей заряда в образцах нелегированного СаА$ и ОаЛй, легированного хромом (образцы 5 и 6); все образцы были имплантированы ионами Лг+ с дозой 10" см~2. Видно, что во всех случаях концентрация носителей заряда уменьшается на 3 - 4 порядка с понижением температуры до 140 К и при более низ ких температурах остается практически постоянной. При повышенных температурах концентрация электронов в образце 5 не сильно отличается от концентрации в нелеги рованном СаЛз; в то же время, концентрация носителей заряда в образце 6 значительно
ниже, поскольку в этом образце значительна проводимость ловушек Cr. На рис. 6 представлена подвижность носителей для трех имплантированных образцов. Подвижности в образце нелегированного GaAs и в образце GaAs, легированного хромом, достаточно высоки и отличаются незначительно при повышенных температурах, но эти подвижности резко уменьшаются с повышением температуры и достигают значений подвижности в образце 5, легированном хромом. В образце 5 подвижность носителей заряда снижается незначительно с повышением температуры. Как указано выше, это может быть связано с прыжковой проводимостью по уровням при низких температурах.
Резкое увеличение концентрации носителей заряда (электронов) в результате имплантации ионов Аг+, по-видимому, обусловлено формированием донорных центров [7]. Мы полагаем, что при низких температурах важную роль играет прыжковая проводимость.
Мы благодарим профессора А. А. Гиппиуса за поддержку и интерес к работе и В. А. Дравина за проведение имплантаций.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В г о d i е J. and Murray J. The Physics of Microfabrication, Plenum, New
York, 1982.
[2] Das M. B. and К i m B. IEEE Trans. Electron Devices, 29, T205 (1982).
[3] L e e К a n g, S h u r M. S., Lee К w у r o, et al. IEEE Trans. Electron Devices, 31, P339 (1984).
[4] Deng X., Liu X. H., Bohringer К., and Kalbitzer S. Appl. Phys. A, 33, 29 (1984).
[5] N i p о t i, P о с с i D., Centronio A., and L a n z i e r i C. Appl. Surf. Sei., 50, 410 (1991).
[6] Gibbons J. Proc. IEEE, March 1968, p. 245.
[7] A 1 e s с h e n k о Yu. A. et al. Radiat. Eff. Defects Solids, 25, 321 (1993).
Поступила в редакцию 18 мая 1999 г.
