WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 4 Коротковолновая фотолюминесценция слоев SiO2, имплантированных большими дозами ионов Si+, Ge+ и Ar+ ©Г.А. Качурин, Л. Реболе, В. Скорупа, Р.А. Янков, И.Е. Тысченко, Х. Фрёб, Т. Бёме†, К. Лео† Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Исследовательский центр Россендорф, Дрезден, ФРГ † Дрезденский технический университет, Дрезден, ФРГ (Получена 28 января 1997 г. Принята к печати 16 июля 1997 г.) Сопоставлены коротковолновые (400 700 нм) спектры фотолюминесценции (ФЛ) слоев SiO2, имплантированных ионами Si+, Ge+ и Ar+ в интервале доз 3.2 · 1016 1.2 · 1017 см-2. После имплантации ионов Ar+ наблюдалось крайне слабое свечение, полностью исчезающее после отжигов 400C, 30 мин или 1050C, 20 мс. После имплантации элементов IV группы интенсивности люминесценции были на 1–2 порядка выше, причем она не только сохранялась при отжигах, но и могла расти. Зависимости свечения от дозы и нагревов показывают, что оно обусловлено формированием примесных кластеров и этот процесс носит скорее перколяционный, чем диффузионный характер. Для обеих примесей IV группы сразу после имплантации наблюдались интенсивная синяя полоса и более слабая — в оранжевой части спектра. Соотношение энергий возбуждения и излучения синей люминесценции характерно для вакансий кислорода в SiO2, свойства которых определяются прямым взаимодействием атомов IV группы. На этом основании считается, что центрами синей ФЛ являются погруженные в SiO2 цепочки атомов Si (или Ge). Оранжевое свечение после отжигов сохранялось только в случае имплантации ионов Si+. Оно связывается непосредственно с нефазовыми выделениями Si в виде сильно развитых кластеров нанометрового размера.

Введение излучения менее определена, так как его наблюдают и просто в SiO2 [14,15] и после бомбардировки SiO2 Обнаруженная недавно способность структур на осноионами инертных газов и -квантами [9,16], и вследствие ве пористого Si давать сильное излучение в видимой введения в окисел избыточного Si или Ge [8,10,17]. В области привлекла к себе исключительное внимание зависимости от температуры и длительности отжигов ввиду ее большого научного и практического значения.

оно может как усиливаться, так и слабеть [6–8,12,18,19].

К настоящему времени разработаны и успешно развиТрудности в идентификации источников коротковолноваются различные методы формирования светоизлучавого излучения в значительной мере обусловлены тем, ющих наноструктур непрямозонных Si и Ge, выгодно что об их природе чаще всего судят только по факту отличающиеся от процедуры приготовления пористого Si возникновения полос люминесценции, не принимая во отсутствием ”мокрых” процессов и совместимостью с внимание их интенсивности и условия возбуждения.

современной полупроводниковой технологией [1–10]. В Сопоставить же данные разных работ практически неих основе обычно лежит распад твердых растворов возможно, поскольку спектры излучения снимаются в Si и Ge в SiO2. Вместе с тем, физическая природа разных условиях, а интенсивности даются в относительисточников видимой люминесценции до сих пор в полных единицах. В настоящей работе для получения более ной мере не ясна и продолжает оставаться предметом полной и объективной информации о коротковолновой дискуссий [6–13]. В качестве таких источников называлюминесценции из имплантированных слоев SiO2 полись квантово-размерные кристаллы Si и Ge, дефекты в следние облучались в сопоставимых условиях ионами окружающей матрице, состояния на границе раздела и Si+, Ge+ и Ar+, проходили одни и те же термообрапобочные химические соединения.

ботки, а спектры снимались на одной установке во всем Сейчас уже можно с достаточной определенностью интересующем диапазоне при фиксированном уровне выделить два типа источников излучения. Первые излувозбуждения.

чают преимущественно в длинноволновой части спектра ( > 700 нм), формируются после высокотемпературных (T > 900C) отжигов и имеют времена релаксации Методика до 10-3 с. Их излучение подобно красному излучению В термически выращенные на Si(100) слои SiO2 толпористого Si и скорее всего обусловлено размерным квантованием в образовавшихся после отжига нанокри- щиной 500 нм внедрялись ионы Si+, Ge+ и Ar+. Имсталлах. Вторые излучают более коротковолновый свет плантация проводилась двумя энергиями с тем, чтобы ( <700 нм) меньшей интенсивности, для их формиро- создать в средней части слоя SiO2 область с относивания отжиг не обязателен, а времена релаксации лежат тельно равномерным распределением примеси. Согласно в субмикросекундном диапазоне. Природа центров этого расчетам пробегов, для ионов Si+ были взяты энергии 440 Г.А. Качурин, Л. Реболе, В. Скорупа, Р.А. Янков, И.Е. Тысченко, Х. Фрёб, Т. Бёме, К. Лео 200 и 100 кэВ, для Ar+ — 250 и 170 кэВ и для Ge+ — 350 и 200 кэВ. Для большей и меньшей энергий дозы соотносились как 1 : 0.6. Суммарные значения доз Si+ и Ge+ варьировались от 3.2 · 1016 см-2 до 1.2 · 1017 см-2, обеспечивая примерно одинаковые объемные концентрации для обоих элементов. Суммарная доза ионов Ar+ была взята 4.5·1016 см-2 с тем, чтобы число произведенных атомных смещений в SiO2 было сопоставимо с действием ионов Si+ и Ge+. Имплантации проводились при пониженных температурах (от -150C до -100C), за исключением оговоренных случаев. Реакция облученных образцов на нагрев изучалась либо посредством отжигов в печи при 400C в течение 30 мин, либо при воздействии коротких тепловых импульсов 900 и 1050C в течение 20 мс. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) снимались на установке Spex Fluoromax в интервале длин волн 400-700 нм при 20C. Источником возбуждающего излучения служила ультрафиолетовая лампа, нужная линиия которой отфильтровывалась монохроматором.

В качестве приемника использовался фотоумножитель.

Единые условия снятия спектров позволяют сравнить количественно интенсивности ФЛ на рис. 1–4, где шкалы отградуированы в одних и тех же единицах, а для возбуРис. 1. Спектры ФЛ исходных слоев SiO2 (1) и после импланждения использовано излучение длиной волны 250 нм.

тации в них ионов Ar+ (2), Si+ (3) иGe+ (4). Суммарные дозы, 1016 см-2: 2 —4.5, 3 —4.8, 4 —6.6.

Результаты На рис. 1 в логарифмическом масштабе показаны спектры ФЛ после имплантации сопоставимых по уровню легирования и дефектообразованию доз Si+, Ge+ и Ar+ в SiO2. Первое, что необходимо отметить, — большая разница в интенсивностях ФЛ между результатами внедрения Si+ и Ge+, с одной стороны, и Ar+ — с другой. Так, пик синей полосы после внедрения Ge+ в 100 раз больше, чем после внедрения Ar+. Вообще, внедрение 4.5 · 1016 см-2 ионов Ar+ дает весьма незначительный прирост ФЛ, причем растут полосы в районе 460 и 650 нм, присутствовавшие в выращенных слоях SiO2 изначально (рис. 1 кривые 1, 2). Второе — заметное различие в результатах имплантации Ge+ и Si+. В первом случае доминирует очень яркая полоса 420 нм. Другая полоса (580 нм) слабее первой почти в 3 раза. После внедрения Si+ столь сильного доминирования одной полосы нет. Свечение с интенсивностью примерно на порядок большей, чем после имплантации Ar+, наблюдается во всем видимом диапазоне. Оно явно состоит из нескольких линий, самая сильная из которых расположена вблизи 480 нм. Подчеркнем, что различия между Si+, Ge+ и Ar+ обнаруживаются после низкотемпературной имплантации и без нагрева образцов Рис. 2. Зависимость спектров ФЛ от дозы ионов Si+. Суммарвыше 20C.

ные дозы 1016 см-2: 1 —4.8, 2 —6.7, 3 — 12.

Зависимость ФЛ от дозы ионов Si+ представлена на рис. 2. Свечение наблюдается для доз, превышающих 1016 см-2, и для его появления дополнительный отжиг не требуется. После суммарных доз 4.8 · 1016 см-2 1.2 · 1017 см-2 приводит к формированию выраженной и 6.7 · 1016 см-2 спектр свечения достаточно размыт интенсивности полосы вблизи 450 нм и более слабой по всему исследуемому диапазону. Увеличение дозы до оранжевой.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Коротковолновая фотолюминесценция слоев SiO2, имплантированных большими дозами ионов... Рис. 4. Влияние отжигов на ФЛ слоев SiO2 после внедрения Рис. 3. Влияние отжигов и температуры имплантации на ФЛ 6.6 · 1016 см-2 ионов Ge+. Штрихпунктир — сразу после при внедрении 4.8 · 1016 см-2 ионов Si+. 1 — сразу после имплантации; штриховая и сплошная — 900 и 1050C в имплантации. Отжиги: 400C, 30 мин (2); 900C, 20 мс (3) и течение 20 мс соответственно.

1050C, 20 мс (4). Штриховая линия — имплантация при 20C.

Похожая трансформация спектра ФЛ происходит и если вместо увеличения дозы Si+ провести отжиг 400C в течение 30 мин (рис. 3, кривые 1 и 2). Появляется узкий итенсивный пик синей ФЛ и более слабая и размытая оранжевая полоса. С дальнейшим отжигом соотношение интенсивности между синей и оранжевой ФЛ начинает меняться в пользу оранжевой и обе полосы смещаются в сторону коротких волн. Из рис. 3 видно также, что простой переход от низкотемпературной имплантации к имплантации при комнатной температуре усиливает синее свечение без каких-либо дополнительных термообработок.

Трансформация спектров при отжигах после внедрения ионов Ge+ показана на рис. 4. Интенсивная синяя полоса, которая была видна сразу после имплантации, в результате отжигов еще более усиливается. Вторая же полоса с нагревами быстро садится и после отжига 1050C в течение 20 мс исчезает полностью. Полностью исчезают также при отжигах 400C, 30 мин и 1050C, 20 мс центры ФЛ, вводимые ионами Ar+. На графиках по отжигу (рис. 3 и 4) данные для Ar+ не представимы ввиду изначально малой величины сигнала (рис. 1).

Наряду со спектрами ФЛ нами также были исследоРис. 5. Спектры возбуждения синей ФЛ после внедрения ваны спектры возбуждения ФЛ. На рис. 5 представлены 6.6 · 1016 см-2 ионов Ge+ (сплошные линии) и 4.8 · 1016 см-такие спектры для синих линий эмиссии после внедрения ионов Si+ (штриховая линия — имплантация при 20C).

ионов Si+ иGe+. В обоих случаях процессы развиваются 1 — сразу после внедрения; 2 — отжиг 900C, 20 мс; 3 и однотипно. До отжигов интенсивности эмиссии начи- штриховая — отжиг 1050C, 20 мс.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 442 Г.А. Качурин, Л. Реболе, В. Скорупа, Р.А. Янков, И.Е. Тысченко, Х. Фрёб, Т. Бёме, К. Лео нают стремительно увеличиваться, когда длина волны и максимальное l = 10-2 нм для 1050C и 20 мс. В возбуждающего света становится меньше — 230 нм. Ход ситуации, когда диффузионное смещение оказывается этих кривых от сорта внедренных ионов практически не много меньше длины единичных атомных прыжков, а зависел и имел краевой характер. С ростом температуры расстояние между примесными атомами — порядка этой отжига вместо ”краевого” возбуждения появлялись чет- длины, формирование примесных комплексов и кластеко выраженные пики, причем спектр зависел от примеси. ров будет носить скорее всего перколяционный характер.

Для Ge это была одна полоса с максимумом при 240 нм, Мы полагаем, что в случае внедрения Si+ иGe+ наибоа после внедрения Si можно было выделить по крайней лее коротковолновые полосы возникающей ФЛ связаны с мере три: доминирующая с 250 нм и две более формированием мельчайщих перколяционных кластеров = слабые вблизи 215 и 280 нм. примеси (точечные комплексы, атомные цепочки и их комбинации) вследствие вытесенения избыточных атомов из стехиометрического SiO2. Процесс сегрегации Обсуждение результатов термически активируем, но при низких температурах не является диффузионным. Он происходит посредством Сопоставление интенсивностей ФЛ слоев в SiO2 после единичных прыжков примесных атомов к ближайшим внедрения ионов Si+, Ge+ и Ar+ однозначно показывает, атомам растущего перколяционного кластера. После отчто имплантация элементов IV группы не сводится жигов слоев, имплантированных ионами Si+, непосредпросто к образованию радиационных нарушений. Согласственными источниками синей ФЛ оказываются центры, но [19], рост концентрации центров ФЛ, вводимых в SiO2 поглощающие кванты с энергией 5 эВ и излучающие бомбардировкой ионами Ar+, наблюдается в интервале в области 2.7эВ (рис. 5). Ранее подобные центры в доз 1012-1014 см-2, а затем процесс стремится к наSiO2 наблюдались неоднократно и их обычно объясняли сыщению. Исследованные нами дозы Ar+ обеспечивали недостатком кислорода и образованием кислородных сорокакратное смещение атомов матрицы, тем не менее вакансий [7,14,15]. Аналогичные центры возникают и прирост ФЛ был крайне мал по сравнению с эффектом от в SiO2, содержащем Ge. Они поглощают и излучают, введения Si и Ge. К тому же центры, вводимые ионами соответственно, при 5 и 3.1эВ [21,22], а их природу инертного газа, легко отжигаются, в то время как после связывают с присутствием Ge и недостатком кислорода.

имплантации примеси IV группы при нагреве возможны ВSiO2 с недостатком O кислородные вакансии реализуи рост интенсивности и трансформация спектров ФЛ ются в виде непосредственно взаимодействующих (без (рис. 1, 3, 4).

промежуточного O) ближайших атомов Si с образоваДозовая зависимость ФЛ и реакция эмиссии на отнием связей Si–Si. В присутствии Ge возможны пары жиги позволяют лучше понять механизм возникновения Si–Ge (комплекс вакансия–примесь) и Ge–Ge. Резкое центров. Действительно, их формирование происходит усиление коротковолновой люминесценции при внедрепри дозах, обеспечивающих концентрации примесей бонии больших доз Si и Ge и несомненное сходство в транслее 1021 см-3, что соответствует среднему межатомному формации спектров возбуждения ФЛ (рис. 5) позволяют расстоянию менее 1 нм. Если бы центрами ФЛ являлись заключить, что в обоих случаях в SiO2 формируются отдельные атомы Si или Ge, то эмиссия нарастала бы известные дефекты вакансионного типа. По существу постепенно с набором дозы. В нашем же случае быстрое же это прямое замыкание связей между избыточными возрастание интенсивности ФЛ происходило тогда, когда атомами с образованием внутри SiO2 примесных цепопоявлялась возможность взаимодействия между примесчек. Согласно расчетам [23], формирование подобных ными атомами. Следовательно, формирование центров связей вводит локальные уровни в запрещенную зону ФЛ связано с кластеризацией примеси. Резкое усиление SiO2, положение которых определяется в основном взасиней полосы в доотжиговых спектрах при увеличении имодействующей парой с небольшим вкладом шести дозы Si+ менее чем вдвое свидетельствует в пользу ближайших периферийных атомов кислорода.

сказанного (рис. 2).

Pages:     || 2 |



© 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.