An electron microscopy study of the effects of annealing on the defect structure of heavily silicon-doped gallium arsenide

Abstract

The lattice defects in heavily silicon-doped gallium arsenide crystals grown by the horizontal Bridgman method were examined as a function of heat treatment and silicon concentration by using transmission electron microscopy. The substructure of as-grown crystals, containing ≈4 × 1019 Si/cm3 exhibited the presence of numerous extrinsic stacking faults lying on the {111} and small vacancy type prismatic dislocation loops lying parallel to the {110} planes of GaAs. Annealing these crystals at 1100 °C for 15 minutes and quenching to room temperature caused the disappearance of both types of defects and produced a homogeneous solid solution. However, a second heat treatment of the homogenized samples at temperatures in the range 600 to 850 °C produced additional prismatic dislocation loops, the size, concentration and distribution of which exhibited an anomalous temperature dependence. More lightly Si-doped [(Si) ≈ 1 × 1018cm3] and undoped GaAs crystals grown by the Bridgman method did not exhibit the presence of prismatic dislocation loops or extrinsic stacking faults when subjected to heat treatments similar to those mentioned above. However, annealing of the lightly doped crystals at 750 °C for 100 hours resulted in the formation of helical dislocations. The origin of the lattice defects observed in Si-doped GaAs and their behavior during various annealing treatments are discussed and the role of silicon in defect production and annealing is delineated. Die Gitterstorungen in stark mit Si dotierten Galliumarsenid-Kristallen, die nach der horizontalen Bridgman-Methode gezogen wurden, werden in Abhangigkeit von der Temperung und Siliziumkonzentration mit Transmissions-Elektronenmikroskopie untersucht. Die Substruktur der unbehandelten Kristalle, mit ≈4 × 1019 Si/cm3 zeigt die Anwesenheit von zahlreichen durch Fremdstorungen verursachten Stapelfehlern auf den {111}-Ebenen und kleinen prismatischen Versetzungsschleifen vom Leerstellentyp, parallel zu den {110}-Ebenen von GaAs. Das Tempern dieser Kristalle fur 15 Minuten bei 1100 °C und Abschrekken auf Zimmertemperatur verursacht das Verschwinden von beiden Defekttypen und ruft eine homogene feste Losung hervor. Jedoch verursacht eine zweite Temperung der homogenisierten Proben bei Temperaturen im Bereich von 600 bis 850 °C zusatzliche prismatische Versetzungsschleifen, deren Grose, Konzentration und Verteilung eine anomale Temperaturabhangigkeit zeigt. Schwacher Si-dotierte (Si ≈ 1 × 1018/cm3) und undotierte GaAs-Kristalle nach der Bridgmanmethode zeigen nicht die prismatischen Versetzungsschleifen oder durch Fremdstorstellen verursachten Stapelfehler, wenn sie ahnlichen Temperungsverfahren unterworfen werden. Jedoch verursacht eine Temperung leicht dotierter Kristalle von 100 Stunden bei 750 °C die Bildung von Schrauben-Versetzungen. Die Ursache der Gitterdefekte, die in Si-dotiertem GaAs beobachtet werden, und ihr Verhalten wahrend verschiedener Temperungsverfahren werden diskutiert und die Rolle des Siliziums bei der Hervorrufung der Defekte und der Temperung wird skizziert.