WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 4 Уровни вакансий и межузельных атомов в запрещенной зоне кремния © В.В. Лукьяница Белорусский государственный медицинский университет, 220116 Минск, Белоруссия (Получена 13 мая 2002 г. Принята к печати 22 июля 2002 г.) На основе анализа вторичных процессов радиационного дефектообразования в кристаллах кремния с зарядозависимыми селективными ловушками для вакансий и межузельных атомов проведена дифференциация их энергетических уровней, ранее определенных по влиянию условий облучения на скорость аннигиляции элементарных первичных дефектов. Установлено, что в запрещенной зоне кремния вакансиям с большой вероятностью принадлежат уровни Ec - 0.28 эВ и Ec -0.65 эВ, а собственному межузельному атому — Ec - 0.44 эВ, Ec — 0.86 эВ и, предположительно, Ec - 0.67 эВ.

1. Введение температурах облучения (Tirr = 0.5-20 K) были обнаружены радиационные изменения свойств кристаллов При исследовании дефектов в кремнии сложилась кремния [17], которые впоследствии были объяснены парадоксальная ситуация: свойства элементарных пер- ионизационно-стимулированной атермической диффузивичных дефектов (ЭПД) — вакансий V и межузельных ей I [18]. Выполненные впоследствии расчеты подтвератомов I — изучены в меньшей степени, чем свойства дили малую величину так называемого миграционного ряда комплексов дефектов, в образовании которых они барьера межузельного атома кремния [19]. Поочередный участвуют [1–5]. Характерным свидетельством этого явзахват генерируемых облучением электронов и дырок ляется не решенная до сих пор проблема спектра энергеприводит к изменению зарядового состояния собствентических уровней ЭПД [1–7]. Трудности его определения ного межузельного атома I2+ I0 I2+ с переходом обусловлены малым временем жизни V и I в свободном его из тетраэдрической позиции в гексагональную, а засостоянии, что связано с высокой подвижностью в услотем в новую тетраэдрическую позицию. Такая длинновиях облучения и большой реакционной способностью пробежная миграция I может заканчиваться вытеснениэтих дефектов, которые эффективно взаимодействуют ем атомов примесей замещения элементов III группы (B, между собой и с атомами легирующих и фоновых Al, Ga) и углерода из узлов кристаллической решетки примесей в кремнии.

кремния в межузельное положение (механизм ВоткинПонижение температуры облучения до T 20 K позса) [8,20,21].

волило стабилизировать свободную вакансию и изучить Анализ результатов экспериментальных исследований некоторые ее свойства, в том числе установить, что по закалке и облучению кремния с позиций амфотервакансия V может находиться в пяти зарядовых соности I в теоретической модели Блаунта [22] привел 2- - 0 + 2+ стояниях (V, V, V, V, V ) [8], определить темавторов работы [23] к заключению, что в p-Si собпературу отжига (T = 70-200 K) и энергию миграции ственный межузельный атом имеет донорный уровень (0.18-0.45 эВ) в зависимости от зарядового состоя Ev + 0.4 эВ. Однако позже было установлено, что тания [9,10], а также положение двух энергетических кой же уровень принадлежит закалочному примесному уровней в p-Si [9,11] (по поводу уровней V в n-Si пока дефекту, представляющему собой межузельный атом нет единого мнения [3–6]). Кроме того, было показано, 2+ + 0 железа [24]. Последнее поставило под сомнение выводы что вакансии в p-Si (зарядовые состояния V, V и V ) работы [23] о принадлежности уровня Ev + 0.4эВ присущи свойства „систем Андерсона с отрицательсобственному межузельному атому кремния. Действиной корреляционной энергией“, приводящие к инверсии тельно, затем было показано, что экспериментально в положении ее донорных уровней [12,13], а также вынаблюдаемые дефекты в ЭПР-спектрах (Si-P6, Si-B3, полнены эксперименты по обоснованию и определению Si-G25 и Si-L1), связанные с собственными межузельэнергетических параметров (L, UC, EJT ) модели такой ными атомами [8,25–27], имеют сложную природу системы [12,14–16]. И тем не менее имеющихся сведеи в лучшем случае представляют собой сдвоенные ний недостаточно, поэтому изучение свойств вакансии в кремнии и ее роли в процессах радиационного де- межузельные центры в различных геометрических конфигурациях [5,27,28]. Поэтому вопрос об энергетических фектообразования в кристаллах n- и p-типа непрерывно продолжается [6,10]. уровнях и зарядовых состояниях межузельного атома Попытки же „заморозить“ созданные облучением соб- кремния I-, I0, I+ и I2+ оставался открытым [5,6].

Как полагают, состояния I0, I+ и I2+ могут также ственные межузельные атомы и тем самым увеличить время их жизни в свободном состоянии не увенча- образовывать систему с отрицательной корреляционной лись успехом. Действительно, даже при весьма низких энергией.

Уровни вакансий и межузельных атомов в запрещенной зоне кремния В недавней работе [29] представлены результаты узлов кристаллической решетки по механизму Воткинса исследований по определению спектра энергетических (Bs + I BI), переводя их в электрически неактивуровней ЭПД в запрещенной зоне кремния. В основе ное состояние. Причем как образование E-центров, так этих исследований, лишенных недостатков и сложностей и потеря электрической активности атомами бора легко опытов по закалке и низкотемпературному облучению регистрируются в эксперименте.

кремния, лежало нахождение зависимости скорости пряПомимо примесных атомов фосфора и бора испольмой аннигиляции ЭПД от их зарядового состояния.

зовались и другие ловушки для дефектов V и I. ВесьИз совместного анализа состояний атомной и элекма эффективными ловушками для свободных вакантронной подсистем кристалла при вариации условий сий являются скопления примесей и дефектов (ПДС) его облучения быстрыми электронами (интенсивномежузельного типа, формирующиеся в объеме бездиссти J или температуры Tirr) установлено, что свободные локационного кремния, выращенного методом зонной компоненты пар Френкеля имеют следующие уровни:

плавки [30]. Окруженные полями упругих напряжений, E1 Ec - 0.28 эВ, E2 Ec - 0.86 эВ, E3 Ec - 0.44 эВ областью пространственного заряда и примесной атмои E4 Ec - 0.65 эВ со средней точностью ±0.04 эВ.

сферой, состоящей в основном из атомов кислорода Цель данной работы заключается в определении найи угелорода, ПДС захватывают подвижные вакансии.

денных уровней ЭПД, т. е. в установлении их принадлежВ результате последующего взаимодействия вакансий V ности дефектам V или I.

с атомами кислорода происходит накопление A-центров (РД с акцепторным уровнем Ec - 0.18 эВ) в примесной атмосфере ПДС, которая характеризуется повышенным 2. Методика эксперимента (по сравнению с матрицей кристалла N0 3 · 1016 см-3) содержанием кислорода (N0 > 8 · 1017 см-3). Как ожиОпределение энергетических уровней ЭПД проводидается, перезарядка вакансий приведет к изменению лось на основе анализа вторичных процессов радиационэффективности их захвата дефектами ПДС (обладающиного дефектообразования с участием зарядозависимых ми отрицательным зарядом), что в свою очередь выселективных стоков (ловушек) для свободных вакансий зовет изменение скорости образования A-центров (A).

и межузельных атомов. Как известно [1], изменение Собственные межузельные атомы могут захватываться зарядовых состояний реагирующих компонентов приво„врожденными“ дефектами двух типов, имеющими энердит к изменению эффективности захвата ЭПД такими гетические уровни Ev + 0.18 эВ и Ev + 0.30 эВ [31].

ловушками. В эксперименте это проявляется как резкое Первые характерны для p-Si, выращенного по методу ступенчатое возрастание или уменьшение скоростей Чохральского, и представляют собой, как предполагаобразования () вторичных радиационных дефектов (РД) ется [31], комплексы Cs–OI, которые взаимодействуют или даже как смена доминирующего канала дефектообс дефектами I с образованием комплексов CI–OI (уроразования. При этом учитывалось, что анализируемые вень Ev + 0.35 эВ) согласно квазихимической реакции:

вторичные процессы могут „маскироваться“ первичны(Cs -OI) +I (CI - OI). Вторые присутствуют в крими процессами прямой аннигиляции ЭПД, вероятность сталлах p-Si, выращенного зонной плавкой, и способны (скорость) которой также зависит от их зарядовых взаимодействовать с межузельными атомами, находящисостояний и определяет „выход“ свободных дефектов V мися только в определенном зарядовом состоянии (что и I, способных участвовать во вторичном дефектообраважно для цели данной работы) [31]. В результате такого зовании. Для того чтобы в явном виде вычленить втовзаимодействия „врожденные“ дефекты трансформируричные процессы, проводилась нормировка скоростей ются в электрически неактивные комплексы и выводятся образования вторичных РД на скорость (эффективность) из облученного кристалла.

„выхода“ свободных V и I после их прямой аннигиляции.

В связи с этим использовались бездислокационные В качестве селективных ловушек для свободных ваи малодислокационные (NV = 10-4 см-2) кристаллы кансий и собственных межузельных атомов использовакремния n- и p-типа проводимости с удельным сопротивлись соответственно примеси фосфора и бора в кремлением = 4.5-40 000 Ом · см, выращенные вытягивании. Являясь донорной примесью в кремнии, фосфор нием из расплава в тигле по методу Чохральского („тиположительно заряжен (P+), а бор, как акцептор, заs гельные“) и зонной плавкой в вакууме или атмосфере ряжен отрицательно (B-). Атомы обеих этих примесей s аргона („зонные“).

имеют „мелкие“ энергические уровни вблизи границ запрещенной зоны кремния, в силу чего они не из- Генерация ЭПД в исследуемых образцах (12 2.5 1.5мм) проводилась электронным меняют свои зарядовые состояния в условиях наших экспериментов. Поэтому наблюдаемые изменения эф- (Ee = 9.8 МэВ, timp = 1мкс, скважность 104) или фективности взаимодействия фосфора и бора с ЭПД -облучением (E = 1.25 МэВ). При этом стабилизация однозначно будут связаны с перезарядкой последних. и необходимые изменения зарядовых состояний V и I Взаимодействие V с ионами P+ приводит к образованию осуществлялись в процессе облучения посредством изустойчивых E-центров (акцепторный уровень с энергией менения неравновесной концентрации носителей заряда Ec - 0.42 эВ), а дефекты I вытесняют атомы бора из при вариации интенсивности облучения или изменения Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 424 В.В. Лукьяница исходной равновесной концентрации носителей заряда (n0, p0) в кристаллах или предварительной компенсации.

Результаты получены из холловских измерений и последующего анализа по уравнению электронейтральности температурных зависимостей концентрации носителей заряда (T = 80-400 K) в исходных и облученных образцах [32]. При этом определялись скорости образования РД ( = N/, где N — концентрация РД, — поток облучения) и коэффициенты радиационного изменения концентрации носителей заряда Kn =(n0 - n )/, Kp =(p0 - p )/.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 1. Уровень EУровень ЭПД с энергией E1 Ec - 0.28 эВ находится в верхней половине запрещенной зоны кремния и может проявляться в процессах радиационного комплексообразования в кристаллах n-Si, легированного фосфором.

Поскольку вакансии в n-Si имеют зарядовые состоя2- - ния V, V и V, а ионы фосфора P+ являются до- Рис. 1. Зависимости скоростей образования радиационных минирующими стоками для них в „зонных“ кристаллах, дефектов (РД) с уровнями Ec - 0.17эВ в „зонном“ n-Si (n0 = 2 · 1013 см-3) от интенсивности электронного облучения:

изменение зарядового состояния вакансии практически 1 — для кристаллов со скоплениями примесей и дефектов не изменит скорости образования E-центров в таком (ПДС), 2 — для контрольных кристаллов, 3 — нормированная материале. Последнее исключает возможность получезависимость для кристаллов с ПДС. На вставке — норминия необходимой информации при проведении опытов рованные зависимости скоростей образования РД с уровнями с перезарядкой вакансий в n-Si. По этой же причине не Ec - 0.17 эВ (кривая 1) и E-центров (кривая 2) в -облученподходит и „тигельный“ n-Si, где основными ловушками ных кристаллах с ПДС от исходной концентрации носителей для вакансий являются нейтральные атомы кислорода.

заряда.

Для преодоления отмеченной трудности было решено использовать дополнительные „зарядочувствительные“ вакансионные стоки, которые составили бы заметную чем в контрольных (contrl) при всех интенсивностях конкуренцию фосфору по захвату свободных вакансий.

облучения.

В качестве таких конкурирующих стоков использовались ПДС, присутствующие в бездислокационных „зонных“ Как показывают оценки [29], при увеличении инкристаллах n-Si. тенсивности облучения сначала (при интенсивности На рис. 1 представлены типичные зависимости скоро- облучения J1) происходит перезарядка элементарных первичных дефектов (ЭПД) с уровнем E1 Ec -0.28 эВ, стей образования РД с уровнями Ec - 0.17 эВ (0.17) а затем (при интенсивности J2) — ЭПД с уровнем от интенсивности электронного облучения для образцов E2 Ev + 0.24 эВ. Вследствие этих процессов немонобездислокационного кристалла с ПДС (кривая 1) и для тонным образом (см. минимумы на рис. 1, кривые малодислокационного (контрольного) n-Si (кривая 2), и 2) изменяется эффективность прямой аннигиляции полученных зонной плавкой соответственно в атмосфере аргона („аргонный“) и в вакууме („вакуумный“). В кон- ЭПД. Проведенный анализ показывает, что при этом изменяется и эффективность протекания вторичных протрольном материале образование ПДС предотвращается цессов с участием перезаряжающихся ЭПД. Об этом наличием ростовых дислокаций [30], а РД с уровнями Ec - 0.17 эВ преимущественно представляют собой свидетельствует уменьшение соотношения = df/contrl комплексы межузельного типа: межузельный углерод – от 1.44 до 1.14 при увеличении интенсивности от Jmin узловой углерод –(Ci–Cs) с уровнем Ec - 0.16 эВ [33]. до Jmax. Кроме того, в области минимумов на кривых В бездислокационном „аргонном“ n-Si РД с уровнями и 2 имеет место сдвиг начала уменьшения df в сторону Ec - 0.17 эВ — это совокупность комплексов Ci–Cs меньших J по сравнению с contrl (рис. 1). Оба этих и A-центров, образующихся с сопоставимыми (почти экспериментальных факта находят объяснение с единой равными) скоростями [34]. По этой причине скорость точки зрения, если допустить, что при изменении (на боэтих РД 0.17 в бездислокацонных кристаллах (df) выше, лее отрицательное) зарядового состояния вакансий проФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Уровни вакансий и межузельных атомов в запрещенной зоне кремния исходит уменьшение скорости образования A-центров от Ec - 0.30 эВ до Ec - 0.26 эВ (см. вставку) пересев примесной атмосфере ПДС. Последнее может быть кает уровень вакансии Ec - 0.28 эВ, в результате чего связано либо с уменьшением притока вакансий к ПДС происходит изменение ее зарядового состояния на боиз-за кулоновского взаимодействия (отталкивания), либо лее отрицательное.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 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.