Влияние сульфидной пассивации подложки на фотолюминесцентные свойства автоэпитаксиальных слоев InAs

Методом низкотемпературной инфракрасной фурье-спектроскопии исследованы фотолюминесцентные свойства автоэпитаксиальных слоев арсенида индия. Структуры выращены методом хлоргидридной газофазной эпитаксии на сильнолегированных подложках n⁺-InAs. Сульфидная пассивация подложек проводилась в одномолярном водном растворе сульфида натрия при комнатной температуре, что приводит к удалению слоя естественного окисла и образованию защищающего поверхность подложки слоя серы. В спектрах фотолюминесценции структур (ФЛ), измеренных на инфракрасном фурье-спектрометре при температуре 8 К, обнаружены три отдельных пика. Пик с энергией 415 мэВ был соотнесен с прямым межзонным переходом в арсениде индия. Мощностная зависимость второго пика, с энергией 400 мэВ, носит сублинейный характер, что позволило отнести его к излучению связанных экситонов. В линии ФЛ третьего пика с максимумом при энергии 388 мэВ наблюдалась тонкая структура с серией близко расположенных пиков, что позволяет отнести данный сигнал к излучению донорно-акцепторных пар. Оценка влияния сульфидизации подложки на качество эпитаксиальных слоев InAs проводилась путем сравнения относительной площади пика ФЛ связанных экситонов для сульфидизированных и не сульфидизированных структур. Показано, что снижение относительной площади пика связанных экситонов после сульфидизации подложки обусловлено уменьшением числа дефектов в автоэпитаксиальных слоях InAs.

1. Zhijian Shen, Jinshan Yao, Jian Huang, Zhecheng Dai, Luyu Wang, Fengyu Liu, Xinbo Zou, Bo Peng, Weimin Liu, Hong Lu, Baile Chen. High-speed mid-wave infrared uni-traveling carrier photodetector with inductive peaked dewar packaging. Journal of Lightwave Technology. 2023; 42(5): 1504—1510. https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3322967

2. Kovtonyuk N.F., Misnik V.P., Sokolov A.V. Sensitivity of insulator-semiconductor structures to time-dependent light fluxes. Semiconductors. 2005; 39: 1290—1293. https://doi.org/10.1134/1.2128452

3. Blain T., Shulyak V., Im Sik Han, Hopkinson M., Jo Shien Ng, Chee Hing Tan. Low noise equivalent power inas avalanche photodiodes for infrared few-photon detection. IEEE Transactions on Electron Devices. 2024; 71(5): 3039—3044. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3373373

4. Komkov O.S., Firsov D.D., Kovalishina E.A. Petrov A.S. Determination of the indium arsenide autoepitaxial layers’ thickness by Fourier-Transform Infrared Spectroscopy. Russian Microelectronics. 2015; 44: 575—578. https://doi.org/10.1134/S1063739715080156

5. Львова Т.В., Седова И. В., Дунаевский М. С., Карпенко А.Н., Улин В.П., Иванов С.В., Берковиц В.Л. Сульфидная пассивация подложек InAs(100) в растворах Na2S. Физика твердого тела. 2009; 51(6): 1055—1061.

6. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics. 2001; 89(11): 5815—5875. https://doi.org/10.1063/1.1368156

7. Böer K.W., Pohl U.W. Excitons. In: Semiconductor Physics. Cham: Springer; 2023. 1419 p. https://doi.org/10.1007/978-3-031-18286-0_14

8. Sumikura H., Shinya A., Notomi M. Time-resolved mid-infrared photoluminescence spectroscopy of an undoped InAs substrate. Applied Physics Letters. 2024; 124(5): 052105. https://doi.org/10.1063/5.0188326

9. Gladkov P., Nohavica D., Šourek Z., Litvinchuk A.P., Iliev M.N. Growth and characterization of InAs layers obtained by liquid phase epitaxy from Bi solvents. Semiconductor Science and Technology. 2006; 21(4): 544—549. https://doi.org/10.1088/0268-1242/21/4/022

10. Firsov D.D., Komkov O.S., Petrov A.S. Photoluminescence of undoped InAs autoepitaxial layers. Journal of Physics: Conference Series. 2015; 643(1): 012051. https://doi.org/10.1088/1742-6596/643/1/012051

11. Voronina T.I., Lagunova T.S., Moiseev K.D., Rozov A.E., Sipovskaya M.A., Stepanov M.V., Sherstnev V.V., Yakovlev Yu.P. Electrical properties of epitaxial indium arsenide and narrow band solid solutions based on it. Semiconductors. 1999; 33: 719—725. https://doi.org/10.1134/1.1187768

12. Баранов А.Н., Воронина Т.И., Гореленок А.А., Лагунова Т.С., Литвак А.М., Сиповская М.А., Старосельцева С.П., Тихомирова В.А., Шерстнев В.В. Исследование структурных дефектов в эпитаксиальных слоях арсенида индия. Физика и техника полупроводников. 1992; 26(9): 1612—1624. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/23914

13. Voronina T.I., Zotova N.V., Kizhayev S.S., Molchanov S.S., Yakovlev Yu.P. Luminescence properties of InAs layers and p–n structures grown by metallorganic chemical vapor deposition. Semiconductors. 1999; 33: 1062—1066. https://doi.org/10.1134/1.1187865

14. Fang Z.M., Ma K.Y., Cohen R.M., Stringfellow G.B. Effect of growth temperature on photoluminescence of InAs grown by organometallic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters. 1991; 59(12): 1446—1448. https://doi.org/10.1063/1.105283

15. Lacroix Y., Tran C.A., Watkins S.P., Thewalt M.L.W. Low-temperature photoluminescence of epitaxial InAs. Journal of Applied Physics. 1996; 80(11): 6416—6424. https://doi.org/10.1063/1.363660

16. Криволапчук В.В., Мездрогина М.М., Полетаев Н.К. Влияние корреляции между подсистемами мелких и глубоких метастабильных уровней на экситонные спектры фотолюминесценции в n-типе GaAs. Физика твердого тела. 2003; 45(1): 29—32. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/4472

17. Zhilyaev Yu.V., Nasonov A.V., Raevski S.D., Rodin S.N., Shcheglov M.P., Davydov V.Yu. Bulk gallium nitride: preparation and study of properties. Physica Status Solidi (a). 2003; 195(1): 122—126. https://doi.org/10.1002/pssa.200306284

18. Tetyorkin V., Sukach A., Tkachuk A. Infrared photodiodes on II-VI and III-V narrow-gap semiconductors. In: Ilgu Yun (Ed.) Photodiodes from fundamentals to applications. Rijeka: IntechOpen; 2012. P. 378. http://dx.doi.org/10.5772/52930