WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 4 Низкотемпературная фотолюминесценция кремния, легированного гольмием © Б.А. Андреев, Н.А. Соболев, Д.И. Курицын#, М.И. Маковийчук†, Ю.А. Николаев, Е.О. Паршин† Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия # Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия † Институт микроэлектроники Российской академии наук, 150007 Ярославль, Россия (Получена 28 декабря 1998 г. Принята к печати 29 декабря 1998 г.) Исследована фотолюминесценция кремния, имплантированного ионами гольмия с энергиями 1 2МэВ и дозами 1·1013 3·1014 см-2 и отожженного при температурах 620900C в течение 0.51 ч. Для увеличения концентрации электрически и оптически активных центров проводилась дополнительная имплантация ионов кислорода с энергиями 0.14 0.29 МэВ и дозами 1 · 1014 3 · 1015 см-2. Наблюдалось несколько линий фотолюминесценции, обусловленных переходами электронов с первого возбужденного состояния ионов Ho3+ (5I7) в основное состояние (5I8). Амплитуда наиболее интенсивных линий с переходами на частотах 5119 и 5103 см-3 уменьшается более чем на порядок величины в диапазоне температур 4.2 78 K. Интенсивность линий фотолюминесценции ионов гольмия возрастает при увеличении концентрации введенных ионов редкоземельного элемента и кислорода.

Кремний, легированный редкоземельными элементами таблице элементов Д.И. Менделеева. Свойства структур(РЗЭ), привлекает все большее внимание исследовате- ных дефектов и особенности обусловленной их образолей как перспективный материал для оптоэлектроники. ванием так называемой дислокационной люминесценции Основное преимущество такого материала обусловлено также практически одинаковы при введении в кремний тем, что переходы электронов во внутренней f -оболочке Ho, Dy и Er [7,8]. Слабая зависимость структурных и РЗЭ характеризуются независимостью частоты излуче- электрических свойств кремния от типа введенных РЗЭ ния от температуры и малой шириной спектральной обусловлена практически одинаковыми их геометричелинии [1]. Практически каждый год проводятся конфе- скими размерами и строением наружных электронных sренции, на которых рассматриваются свойства полупро- и p-оболочек. Основное различие РЗЭ состоит в струкводников, легированных РЗЭ [2–4]. Наибольший интерес туре их 4 f -оболочки, которая и определяет оптические и вызывает примесь эрбия, поскольку излучение именно магнитные свойства материала. Насколько нам известно, этого РЗЭ на длине волны 1.54 мкм используется в до настоящего времени исследования таких свойств в волоконно-оптических линиях связи. До настоящего вре- легированном гольмием кремнии (Si : Ho) не проводимени легирование кремния другими РЗЭ использовалось лись. Цель настоящей работы заключается в изучении в основном с целью установить общие закономерности оптических свойств Si : Ho, полученного методом ионной процессов образования структурных дефектов и электри- имплантации.

чески активных центров, обусловленных их введением. Ионы гольмия имплантировались в кремний, выращенТак, в [5] впервые было показано, что введение примесей ный по методу Чохральского, Cz-Si 100 n- и p-типа Ho и Dy приводит к формированию донорных центров проводимости с энергиями EHo = 1.0, 1.6, и 2.0 МэВ и концентрация этих центров растет при увеличении в дозах DHo = 1 · 1013, 1 · 1014 и 3 · 1014 см-2. В концентрации кислорода в исходном материале или его некоторые образцы дополнительно имплантировались дополнительной имплантации. Оказалось, что после им- ионы кислорода с энергиями EO, при которых проецироплантации РЗЭ Ho, Dy, Er и Yb и последующего отжига ванный пробег ионов обоих типов совпадал, а доза (DO) в запрещенной зоне кремния образуются кислородсодер- на порядок превышала дозу гольмия. Отжиг образцов, жащие термодоноры и донорные центры, содержащие имплантированных неаморфизирующими дозами гольРЗЭ [6]: а) концентрация кислородсодержащих мелких мия (DHo = 1 · 1013 см-2), проводился при темпетермодоноров с энергией ионизации, распределенной в ратуре 900C в течение 0.5 ч. Отжиг аморфизованных диапазоне Ec - (20 40) мэВ, не зависит от типа РЗЭ и слоев (DHo 1 · 1014 см-2) проводился в два этапа:

пропорциональна дозе имплантации; б) каждый РЗЭ вхо- 620C/1 ч +900C/0.5 ч. На первом этапе происходила дит в состав двух донорных центров с дискретной энер- кристаллизация аморфного слоя по механизму твердогией ионизации вблизи Ec - 70 мэВ и Ec - 140 мэВ, фазной эпитаксии, а на втором — формирование оптипри этом энергия ионизации доноров возрастает в по- чески и электрически активных центров, содержащих следовательности расположения РЗЭ в Периодической РЗЭ [9].

Низкотемпературная фотолюминесценция кремния, легированного гольмием Для фотовозбуждения кремния использовали непрерывное излучение криптонового лазера (длина волны = 647 нм) мощностью до 300 мВт. Возбуждающее излучение (обычный уровень мощности на входе в криостат 50 80 мВт) поступало через отверстие в зеркале, фокусирующем вторичное излучение нормально к поверхности со стороны имплантированого слоя.

Мощность излучения контролировали с помощью фотоэлектрического измерителя мощности ИМО-4С. Относительные изменения мощности за время регистрации спектра (< 15 мин) не превышали 10%. Образцы размещали в гелиевой ванне оптического криостата с кварцевыми окнами для ввода и вывода излучения. Отраженное и рассеянное излучение с = 647 нм ослабляли оптическим фильтром на входе спектрометра. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировали с разрешением до 0.5 см-1 на вакуумном фурье-спектрометре ”Bomem DA3” в диапазоне 3000 12 000 см-1 с кварцевым делителем луча в интерферометре и приемником InSb (удельная обнаружительная способность — не менее 4 · 1011 см · Гц1/2 · Вт-1 при рабочей температуре 78 K и холодном фильтре).

После имплантации ионов гольмия с дозой Рис. 2. Спектр ФЛ Si : Ho : O при 4.2 K после импланDHo = 1 · 1013 см-2 и отжига не наблюдалось тации гольмия и кислорода с энергиями EHo = 1МэВ линий ФЛ, связанных с 4 f -переходами электронов и EO = 0.14 МэВ и дозами DHo = 1 · 1014 см-2 и в ионе РЗЭ. Однако в образцах, в которых DO = 1 · 1015 см-2. Разрешение в спектре 1 см-1.

проводилась имплантация кислорода, появляется сигнал ФЛ иона Ho3+ при температуре жидкого гелия (рис. 1). Наиболее интенсивные линии наблюдаются на частотах 5119 и 5103 см-1. Появление линий 5 обусловлено расщеплением гольмиевых термов I7 и Iв кристаллическом поле кремниевой матрицы. Ионы кислорода способствуют формированию оптически активных гольмийсодержащих центров и, возможно, входят в состав этих центров. Отметим, что положение 5 доминирующих линий в переходе I7 I8 ионов Ho3+ в полупроводниковой матрице смещено в область более коротких волн по сравнению с положением доминирующих линий в диэлектриках [10].

Увеличение дозы имплантации гольмия и кислорода на порядок сопровождается появлением дополнительных линий и значительным ростом интенсивности ФЛ ионов Ho3+ при 4.2 K (рис. 2). Однако линии 5119 и 5103 см-продолжают доминировать в спектре. Дальнейшее увеличение дозы имплантации до DHo = 3 · 1014 см-2 и DO = 3 · 1015 см-2 приводит к некоторому снижению интенсивности ФЛ Ho3+, что, по-видимому, связано с появлением дополнительных каналов безызлучательной рекомбинации.

В спектрах ФЛ при 4.2 K кроме гольмиевых линий наблюдаются линии экситонов, связанных на центрах легирующих примесей бора и фосфора. Интенсивность линий связанных экситонов примерно на порядок меньРис. 1. Спектр ФЛ Si : Ho : O при 4.2 K после импланше интенсивности линий ионов Ho3+. При увеличении тации гольмия и кислорода с энергиями EHo = 1МэВ температуры от 4.2 до 78 K наблюдается значительное и EO = 0.14 МэВ и дозами DHo = 1 · 1013 см-2 и DO = 1 · 1014 см-2. Разрешение в спектре 10 см-1. (более чем на порядок величины) уменьшение интенсивФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 422 Б.А. Андреев, Н.А. Соболев, Д.И. Курицын, М.И. Маковийчук, Ю.А. Николаев, Е.О. Паршин ности люминесценции при неизменном положении наи- Low-temperature photoluminescence более интенсивных линий 5119 и 5103 см-1. Наблюдаеin holmium-doped silicon мое температурное гашение ФЛ Ho3+ в области спектра B.A. Andreev, N.A. Sobolev, D.I. Kuritsin#, вблизи 5100 см-1 при повышении температуры сопровоM.I. Makovijchuk†, Yu.A. Nikolaev, E.O. Parshin† ждается исчезновением линий экситонов, связанных на примесях в кремнии, и появлением доминирующего пика A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, свободного экситона.

194021 St. Petersburg, Russia Таким образом, в кремнии наблюдалась ФЛ, обуслоMicrostructure Physics Institute, вленная переходами электронов с первого возбужденно603600 N. Novgorog, Russia # го в основное состояние ионов Ho3+ 5I7 I8. УвеHigh Purity Material Chemistry Institute, личение концентрации имплантируемых ионов гольмия 603600 N. Novgorog, Russia † и кислорода приводит к росту интенсивности ФЛ. В Institute of Microelectronics, диапазоне температур 4.278 K наблюдается достаточно 150007 Yaroslavl’, Russia сильная температурная закалка интенсивности гольмиевой ФЛ.

Abstract

Photoluminescence of silicon implanted with holmium ions at 1 2 MeV energies and 1 · 1013 3 · 1014 cm-2 doses Авторы благодарны А.М. Емельянову за полезные and annealed for 0.5 1 h at 620 900C temperatures has been обсуждения некоторых результатов данной работы.

studied. Additional implantation of oxygen ions at 0.140.29 MeV Работа выполнена при частичной поддержке Россий- energies and 1·10143·1015 cm-2 doses was carried out to increase the concentration of electrically and optically active centers. A ского фонда фундаментальных исследований (гранты 96few photoluminescence lines related to the transitions of electrons 02-17901 и 96-03-32581).

from the first excited state of Ho3+ ions (5I7) to the ground state (5I8) are observed. The amplitude of the most intensive lines Список литературы at 5119 and 5103 cm-1 wavenumbers decreases by more than one order of magnitude with increasing temperature from 4.2 to 78 K.

[1] Н.А. Соболев. ФТП, 29, 1153 (1995). An increase of the concentration of the introduced rare-earth and [2] MRS Symp. Proc., 422 (1996). oxygen ions leads to an increase of the intensity of the holmium[3] MRS Symp. Proc., 486 (1998). related photoluminescence lines.

[4] J. Luminesc. (1999) [Proc. European MRS Spring Meeting Fax: (812) 2471017 (N.A. Sobolev) (Strasbourg, 1998)].

E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru [5] О.В. Александров, А.О. Захарьин, Н.А. Соболев, Е.И. Шек, М.И. Маковийчук, Е.О. Паршин. ФТП, 32, 1029 (1998).

[6] V.V. Emtsev, V.V. Emtsev Jr, D.S. Poloskin, E.I. Shek, N.A. Sobolev. J. Luminesc. (1999).

[7] V.I. Vdovin, T.G. Yugova, N.A. Sobolev, E.I. Shek, M.I. Makovijchuk, E.O. Parshin. Nucl. Instrum. Meth. B147, 116 (1999).

[8] Н.А. Соболев, Е.И. Шек, А.М. Емельянов, В.И. Вдовин, Т.Г. Югова. ФТП, 33 (1999).

[9] N.A. Sobolev, A.M. Emel’yanov, K.F. Shtel’makh. Appl. Phys.

Lett., 71, 1930 (1997).

[10] Справочник по лазерам, под ред. А.М. Прохорова (М., Сов. радио, 1978) т. 1, ч. II, гл. 11–13.

Редактор Л.В. Шаронова Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, 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.