WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 3 Мессбауэровское исследование двухэлектронной акцепторной примеси цинка в кремнии © Ф.С. Насрединов, Н.П. Серегин, П.П. Серегин, С.И. Бондаревский Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 сентября 1999 г. Принята к печати 12 октября 1999 г.) 67 Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе Ga(67Zn) показано, что двухэлектронная акцепторная примесь цинка в кремнии в зависимости от положения уровня Ферми присутствует только в виде нейтральных [Zn]0 и двукратно ионизованных [Zn]= центров, причем уширение спектров, отвечающих указанным центрам, свидетельствует об отличии их локальной симметрии от кубической. Отсутствие в мессбауэровских спектрах частично компенсированных образцов однократно ионизованного состояния [Zn]= рассматривается как доказательство отрицательного знака корреляционной энергии.

Примесные атомы цинка в кремнии являются акцеп- Очевидно, что для выбора между двумя возможныторами и образуют в запрещенной зоне два глубоких ми моделями акцепторной примеси цинка в кремнии энергетических уровня [1,2]. Предполагается, что при (U > 0 [2] или U < 0 [6,7]) необходима идентифивысоких температурах цинк диффундирует по междо- кация центров [Zn]0 и [Zn]=, определение симметрии узлиям, а при охлаждении образца цинк стабилизируется их локального окружения, а также экспериментальное преимущественно в узлах решетки, причем концентра- определение соотношения концентраций этих центров ция электрически активного цинка практически совпа- в зависимости от положения уровня Ферми. В связи дает с общей концентрацией цинка [1]. Считается, что с этим актуальным представляется исследование попримесные атомы цинка образуют в кремнии двухэлек- ведения примесных атомов цинка в кремнии методом тронные акцепторные центры с энергиями ионизации эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе 67 67 E1 0.31 эВ [процесс (0/-)] и E2 0.55 эВ [процесс Ga(67Zn): диффузионное введение изотопа Ga в крем(-/ --)] [2], так что цинк в зависимости от положения ний гарантирует стабилизацию как материнского Ga, уровня Ферми может стабилизироваться в трех зарядо- так и дочернего Zn атомов в положении замещения;

вых состояниях: нейтральном [Zn]0, однократно [Zn]- и варьирование концентрации носителей в исходных образдвукратно [Zn]= ионизованном. цах кремния позволяет управлять положением уровня Первые попытки обнаружить спектр электронного па- Ферми и получать материал с контролируемым соотношением концентраций зарядовых состояний цинка;

рамагнитного резонанса (ЭПР) парамагнитных центров параметры мессбауэровских спектров Zn позволяют [Zn]- в кремнии не были успешными [3]. Авторы [4] надежно определять зарядовое (электронное) состояние таким центрам приписали спектр ЭПР, измеренный для атомов цинка, симметрию их локального окружения и образцов кремния, легированных цинком и находящихся под одноосным сжатием. Однако полная идентифика- соотношение концентраций между различными зарядовыми состояниями цинка.

ция спектров не была проведена. Позднее авторы [5] Радиоактивный изотоп Ga готовили по реакциям сообщили о существовании в кремнии, легированном 67 Zn(p, n)67Ga и Zn(d, n)67Ga с последующим хромацинком, двух спектров ЭПР, появляющихся только в тографическим выделением безносительного препарата.

процессе подсветки высокоомных дырочных образцов Легирование кремния галлием Ga проводилось метобелым светом. Один из этих спектров был связан с дом диффузии в вакуумированных кварцевых ампулах центрами [Zn]- с орторомбической симметрией [6]. В связи с таким поведением спектров ЭПР было предпо- из газовой фазы при 1320C в течение 5 ч (глубина проникновения составляла 1.5 мкм, поверхностная ложено, что двухэлектронный акцепторный центр цинка в кремнии имеет отрицательную корреляционную энер- концентрация галлия не превышала 5 · 1014 см-3). Были получены три образца A, B и C:

гию U: последовательность его уровней инвертирована (для процессов (0/-) и (-/ --) энергии термиче- A — исходный образец был дырочным (фоновая приской ионизации равны соответственно E1 = 0.316 эВ месь — бор, p = 2 · 1016 см-3); после диффузионного и E2 = 0.167 эВ); центры [Zn]=, [Zn]- и [Zn]0 на- легирования галлием тип проводимости и концентрация ходятся в разных положениях решетки кремния (они носителй тока не изменились; согласно [2,7] уровень являются центрами замещения, однако смещены от- Ферми закреплен вблизи вершины валентной зоны и все носительно невозмущенного узла, так что симметрия центры цинка находятся в состоянии [Zn]0;

этих центров является соответственно C3V, C2V и D2d); B — исходный образец был электронным (фоновая из-за отрицательного знака U центр [Zn]- оказывает- примесь — фосфор, n = 2 · 1016 см-3); после диффуся нестабильным и спонтанно распадается по реакции зионного легирования галлием тип проводимости и кон2[Zn]- [Zn]0 +[Zn]= [6,7]. центрация носителей тока не изменились; согласно [2,7] 2 276 Ф.С. Насрединов, Н.П. Серегин, П.П. Серегин, С.И. Бондаревский Мессбауэровские спектры Ga(67Zn) измерялись при 4.2 K с поглотителем ZnS (поверхностная плотность 1000 мг/см2 по изотопу Zn). Спектры образцов A (спектр A) и B (спектр B) представляли собой одиночные линии, причем переход от дырочного к электронному образцу приводит к сдвигу центра тяжести спектра S в область положительных скоростей (см. рисунок, I). Очевидно, спектр A отвечает нейтральным центрам [67Zn]0, а спектр B — двукратно ионизованным центрам [67Zn]=.

При равенстве температуры измерения спектров величина S определяется S = -(9/16)(k/Mc2) +(0), где k — постоянная Больцмана, M — масса ядра-зонда, c — скорость света в вакууме, — разность температур Дебая двух образцов, — калибровочная постоянная, (0) — разность релятивистских плотностей электронного заряда на ядрах Zn в двух образцах.

Первый член в этом выражении описывает влияние допплеровского сдвига 2-го порядка в дебаевском приближении и, поскольку оба спектра относятся к примесным атомам цинка в матрице кремния, этим членом можно пренебречь. Второй член представляет собой изомерный сдвиг, появляющийся из-за разности электронной плотности на ядрах Zn в двух образцах. ВозраI. Эмиссионные мессбауэровские спектры примесных атомов стание S при переходе от [Zn]0 к [Zn]= свидетельствует Ga(67Zn) в кремнии при 4.2 K для образцов A (спектр отвео возрастании электронной плотности на ядрах Zn чает центрам [Zn]0), B (спектр отвечает центрам [Zn]=) и C и, следовательно, о локализации на мессбауэровском (спектр отвечает присутствию [Zn]= и [Zn]0). II. Расчетные 67 центре двух электронов.

мессбауэровские спектры Zn для образцов A, B и C при Спектр образца C (спектр C) представляет собой U < 0. Показаны положения спектров центров [Zn]0 и [Zn]=.

III. расчетные мессбауэровские спектры Zn для образцов A, B наложение спектров A и B (см. рисунок, I). На рисуни C при U > 0. Показаны положения спектров центров [Zn]0, ке, II, III приведены ожидаемые формы мессбауэровских [Zn]- и [Zn]=. Скоростная шкала всех спектров приводится спектров Zn для случаев U < 0 и U > 0. Методика относительно спектра образца A.

построения таких спектров описана в [8] и использованы расчеты электронной плотности для различных электронных конфигураций цинка [9,10]. Сравнение экспеуровень Ферми закреплен вблизи дна зоны проводимости риментальных (рисунок, I) и расчетных (рисунок, II, III) и все центры цинка находятся в состоянии [Zn]=;

мессбауэровских спектров однозначно свидетельствует в C — исходный образец был электронным (фоновая пользу того, что для двухэлектронных центров цинка в примесь — фосфор, n = 2 · 1016 см-3); вначале было кремнии величина U < 0.

проведено диффузионное легирование образца цинком Следует отметить, что спектры, отвечающие центрам (в вакуумированных кварцевых ампулах из газовой фазы [Zn]0 и [Zn]=, уширены (для спектра Cu(67Ga) с поглопри 1080C в течение 60 ч с последующим снятием тителем ZnS ширина спектральной линии на полувысоте с поверхности слоя 100 мкм концентрация цинка в = 2.6(3) мкм/с [11], тогда как для спектров на риобразце была 1.5 · 1016 см-3 [2]), так что низкоомный сунке, I получено =5.0(5) мкм/с). Такое значительное исходный образец ( 0.3Ом · см) стал высокоомным уширение спектров свидетельствует об отличии локаль( 104 Ом · см) без изменения типа проводимости; затем ной симметрии примесных атомов цинка от кубической было проведено диффузионное легирование галлием, и может интерпретироваться как доказательство ”неценпричем после этого тип проводимости и концентрация тральности” центров цинка в решетке кремния.

носителей тока не изменились; согласно [2] уровень Ферми закреплен вблизи уровня E1 = 0.55 эВ, так Таким образом, показано, что примесные атомы цинка что центры цинка присутствуют преимущественно в в кремнии являются двухэлектронными акцепторными состоянии [Zn]-; согласно [7] уровень Ферми закреплен центрами с отрицательной корреляционной энергией, между уровнями E1 = 0.316 и E2 = 0.167 эВ и центры причем локальная симметрия центров [Zn]0 и [Zn]= не цинка присутствуют в виде [Zn]0 и [Zn]=. является кубической.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Мессбауэровское исследование двухэлектронной акцепторной примеси цинка в кремнии Список литературы [1] C.S. Fuller, F.J. Morin. Phys. Rev., 103, 379 (1957).

[2] R.O. Carlson. Phys. Rev., 108, 1390 (1957).

[3] G.W. Ludwig, H.H. Woodbury. Sol. St. Phys., 13, 223 (1962).

[4] В.Б. Гинодман, П.С. Гладков, Б.Г. Журкин, Б.В. Корнилов.

ФТП, 5, 2214 (1971).

[5] H.E. Altnik, T. Gregorkiewicz, C.A. Ammerlaan. Sol. St. Commun., 75, 115 (1990).

[6] N.T. Bagraev. Semicond. Sci. Technol., 9, 61 (1994).

[7] N.T. Bagraev. Sol. St. Commun., 95, 365 (1995).

[8] В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, С.А. Немов, П.П. Серегин. ФТП, 31, 291 (1997).

[9] A. Svane, E. Antoncik. Phys. Rev. B, 34, 1944 (1986).

[10] D.W. Mitchell, T.P. Das, W. Potzel, G.M. Kalvius, H. Karzel, W. Schiessl, M. Steiner, M. Kofferlein. Phys. Rev. B, 48, 16 (1993).

[11] A. Forster, W. Potzel, G.M. Kalvius. Z. Phys. B, 37, (1980).

Редактор В.В. Чалдышев Mssbauer’s investigation of a zinc two-electron acceptor impurity in silicon F.S. Nasredinov, N.P. Seregin, P.P. Seregin, S.I. Bondarevskii

Abstract

Tne Ga(67Zn) emission Mssbauer spectroscopy has shown that the zinc impurity in silicon is a two-electron acceptor with neutral [Zn]0 and twofold ionized [Zn]= states only, their population depending on the Fermi level position. Broadening of the zinc spectra corresponds to some deviations of their local symmetry from the cubic one. Lack of the [Zn]- state in the spectra of partially compensated samples is an evidence in favour of the negative correlation energy of zinc centers.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.