WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 6 Примесные атомы эрбия в кремнии © В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, П.П. Серегин, Е.И. Теруков, М.М. Мездрогина Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 декабря 1997 г. Принята к печати 31 декабря 1997 г.) 169 Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе Er(169Tm) показано, что центрами фотолюминесценции в кристаллическом кремнии, легированном эрбием, являются кластеры [Er–O], причем локальная симметрия ионов Er3+ в этих кластерах аналогична таковой в Er2O3. Центрами фотолюминесценции в аморфном гидрогенизированном кремнии, легированном эрбием, являются кластеры, локальная структура которых также соответствует оксиду эрбия.

Обнаружение фотолюминесценции (ФЛ) и электролю- излучающего кластера [Er–O], который представляет минесценции на длине волны 1.54 мкм в кристалличе- собой квантовую точку с размером порядка 10 [7].

ском (c-Si) и аморфном гидрогенизированном кремнии Авторы [3] полагают, что излучающими центрами в (a-Si : H), легированном эрбием (c-Si Er, a-Si Er ) [1–4], a-Si : H Er также являются кластеры [Er–O], однако открывает перспективу использования этих материалов прямых доказательств этого они не приводят. Отметим для изготовления фото- и электролюминесцентных притакже, что для c-Si Er характерно сильное гашение боров, интегрируемых в кремниевую технологию и рабоФЛ в интервале температур 77 300 K, тогда как для тающих на длине волны, соответствующей минимуму поa-Si : H Er интенсивность ФЛ при комнатной температутерь и минимальной дисперсии в волоконно-оптических ре на 2 порядка выше, чем в c-Si Er. Очевидно, что это линиях связи. Установлено, что интенсивность ФЛ завиуказывает на различие в структуре излучающих центров сит от концентрации эрбия N(Er) и увеличивается, если для кристаллического и аморфного материала или на дополнительно вводится примесь кислорода, причем конизменение электронной структуры кремния [8].

центрация кислорода N(O) должна быть на порядок выВ настоящей работе с целью идентификации симмеше, чем концентрация эрбия [4,5]. Согласно авторам [6], трии локального окружения ионов эрбия в c-Si и a-Si : H в образцах c-Si Er, содержащих 1017 см-3 кислорода, проведены исследования состояния примесных атомов оптически активный центр представляет собой кластер, эрбия методом эмиссионной мессбауэровской спектросостоящий из атомов эрбия и кислорода [Er–O], в коскопии на изотопе Er(169Tm).

тором ион эрбия окружен шестью атомами кислорода, причем локальное окружение эрбия близко к его окружению в Er2O3. Понижение концентрации кислорода Эксперимент до 1015 см-3 приводит к реализации окружения ионов Предварительные результаты были опубликованы эрбия, характерного для ErSi2. Аналогичный результат получается при низкотемпературном послеимплантаци- в работе [9]. Монокристаллические образцы онном отжиге образцов кремния, соимплантированных c-Si Er были получены методом диффузионного эрбием и кислородом (Tann = 400600 K) [7], в то время легирования c-Si, содержащего N(O) 1017 или как при Tann = 600 900 K кластеры имеют структуру N(O) 2 · 1019 см-3 кислорода. Концентрация эрбия Er2O3, причем при повышении температуры отжига доля составляла 5 · 1018 см-3, а толщина диффузионного кластеров со структурой оксида эрбия повышается.

слоя равномерного легирования была равна Теоретическое рассмотрение процесса возбуждения примерно 50 мкм. Пленки a-Si : H Er были получены ФЛ в c-Si Er также требует введения в рассмотрение методом магнетронного распыления мишени металПараметры эмиссионных мессбауэровских спектров Er(169Tm) Спектр I Спектр II Образец N(Er), см-3 N(O), см-3 R IS, см/с QS, см/с W, см/с IS, см/с W, см/с c-Si Er 5 · 1018 1017 0.0 2.5 1.6 0.0 1.6 0.c-Si Er 5 · 1018 2 · 1019 0.0 2.5 1.6 0.0 1.6 0.a-Si : H Er 1.1 · 1020 4 · 1021 0.0 2.2 2.0 0.0 2.0 0.a-Si : H Er (*) 1.1 · 1020 4 · 1021 0.0 2.2 2.0 0.0 2.0 0.a-Si : H Er 6 · 1020 4 · 1021 0.0 2.2 2.0 0.0 2.0 0.Примечание. IS — изомерный сдвиг, QS — квадрупольное расщепление, W — ширина линии, R — относительная интенсивность спектра I.

Образец (*) был подвергнут отжигу при 800C в течение 2 ч в вакууме.

Примесные атомы эрбия в кремнии лического эрбия в атмосфере силана и аргона. Пленки распылялись на Al-подложку, температура которой составляла 300C. Концентрация кислорода во всех исследованных пленках была постоянной и составляла 5 · 1021 см-3, концентрация водорода была в пределах от 9 до 11 ат%, а концентрация эрбия в исследованных пленках варьировалась от 1019 до 1021 см-3.

Мессбауэровские источники получали путем облучения образцов c-Si Er и a-Si : H Er потоком тепловых нейтронов порядка 5 · 1018 см-2. Мессбауэровские спектры измерялись на промышленном спектрометре СМ-2201 при 295 K с поглотителем в виде этилсульфата тулия (поверхностная плотность 5 мг/см2 по туллию).

Результаты и обсуждение Типичные мессбауэровские спектры различных образцов Si : Er приведены на рис. 1 и 2. Как видно из рисунков, они представляют собой суперпозицию квадрупольного дублета (спектр I) и одиночной линии (спектр II).

Рис. 2. Эмиссионные мессбауэровские спектры R(V ) для Соотношение площадей под спектрами I и II зависит Er(169Tm) при T = 295 K образцов c-Si Er. Концентрация от типа матрицы (аморфная или кристаллическая), кон- кислорода N(O), см-3: a — 1017, b — 2 · 1019. Показано положение спектров типа I и II.

центрации эрбия и концентрации кислорода. Параметры спектров приведены в таблице.

При интерпретации мессбауэровских спектров Er(169Tm) следует иметь в виду, что в результате узлах эрбия оказывается мессбауэровский изотоп 169 реакции захвата теплового нейтрона Er(n, )169Er (зонд) Tm. В мессбауэровских спектрах Tm и последующего -распада Er (см. рис. 3) в практически отсутствует изомерный сдвиг, однако величина квадрупольного расщепления существенным образом зависит от симметрии локального окружения зонда. Таким образом, эмиссионная мессбауэровская спектроскопия на изотопе Er(169Tm) позволяет получать информацию о симметрии локального окружения атомов эрбия. В частности, как видно из рис. 1 и 2, спектры образцов c-Si Er и a-Si : H Er отвечают двум состояниям примесных атомов эрбия в структуре материала, причем спектр I соответствует центрам эрбия с пониженной симметрией локального окружения, а спектр II — центрам эрбия в почти правильном кубическом окружении.

Для a-Si : H Er при комнатной температуре были измерены спектры ФЛ, возбуждение ФЛ осуществлялось аргоновым лазером. В этих спектрах наблюдаются две линии: собственной ФЛ a-Si : H (при 1.35 мкм) и ФЛ, обусловленной внутрицентровыми переходами f - f в ионе Er3+ (при 1.54 мкм). На рис. 4 приведена зависимость интенсивности ФЛ при = 1.54 мкм от концентрации эрбия, из которой видно, что интенсивность ФЛ достигает максимального значения при N(Er) 5 · 1020 см-3.

На рис. 4 нанесена также зависимость доли P центров Рис. 1. Эмиссионные мессбауэровские спектры R(V ) для эрбия в состоянии I от концентрации эрбия Er(169Tm) при T = 295 K образцов a-Si : H Er. R —относительная скорость счета. Концентрация эрбия N(Er), 1020 см-3:

P = S(I)/[S(I) +S(II)], a —5, b, c —1.1. Спектр c получен после отжига образца при где S(I) и S(II) — площади под мессбауэровскими 800C в течение 2 ч в вакууме. Сплошными линиями показаны составляющие спектров типа I и II. спектрами I и II соответственно. Для построения этой Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 710 В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, П.П. Серегин, Е.И. Теруков, М.М. Мездрогина Очевидно, что и для c-Si Er спектр типа I следует приписать центрам эрбия, ответственным за ФЛ, тогда как спектр типа II относится к оптически неактивным центрам. Отметим, что величина квадрупольного расщепления спектра типа I различна для кристаллического и аморфного кремния (см. таблицу). Этот факт следует объяснить различной природой кластеров, образуемых атомами эрбия и кислорода в c-Si и a-Si : H. В кристаллическом кремнии кластер [Er–O] имеет структуру, близкую к кристаллической структуре Er2O3 (см. [6,7]), тогда как в аморфном кремнии структура кластера, судя по величине квадрупольного расщепления (QS = 2.2см/с), 169 несколько отличается. Необходимо отметить два моменРис. 3. Схема образования мессбауэровского уровня Tm.

та: во-первых, в кристаллической решетке Er2O3 существует две позиции атомов эрбия с симметриями C2 и C3, которые в мессбауэровских спектрах не разрешаются.

Во-вторых, в квадрупольное расщепление спектра вносят зависимости использованы также данные нашей рабовклад два градиента электрического поля: кристаллиты [9]. Поскольку, как видно из рис. 4, относительная ческий, создаваемый ионами, окружающими мессбауинтенсивность спектра I возрастает с ростом интенсивэровский атом, и валентный, обусловленный несфериности ФЛ, именно эти состояния эрбия ответственны за ческим распределением зарядовой плотности внешних ФЛ образцов a-Si : H Er. Параметры спектра I близки (валентных) электронов самого мессбауэровского иона.

к параметрам эмиссионного мессбауэровского спектра 169 Как правило, эти вклады имеют противоположные знаки.

Er2O3 (IS = 0, QS = 2.4см/с [9]), что позволяет Поскольку и в кристаллическом, и в аморфном образцах сделать вывод, что центрами ФЛ являются кластеры, ион эрбия имеет электронную конфигурацию 4f, и при образованные эрбием и кислородом. Доля таких кластеэтом, согласно исследованиям электронного парамагнитров должна возрастать с ростом концентрации эрбия в ного резонанса, 4 f -состояния примесных редкоземельобласти N(Er) < N(O), поскольку элементарная ячейка ных атомов в полупроводниках практически не гибриоксида эрбия содержит 32 атома эрбия и 48 атомов дизуются с состояниями атомов окружения, изменение кислорода, и эта доля должна уменьшаться с ростом полного квадрупольного расщепления следует отнести концентрации эрбия в области N(Er) > N(O). Именно к некоторому различию в локальной симметрии атомов это и наблюдается в эксперименте. Спектр II, очевидно, эрбия в кластерах [Er–O] в аморфном и кристалличеследует приписать ионам эрбия, имеющим в окружении ском кремнии, что вполне естественно, учитывая разную только атомы кремния (аналогично окружению эрбия в структуру матриц.

соединении ErSi2).

Мы провели отжиг образца a-Si : H Er, содержащего 5·1020 см-3 эрбия при 800C в течение 2 ч в вакууме. Отжиг привел к полному удалению водорода из пленки и ее кристаллизации. В соответствии с данными авторов [4], интенсивность ФЛ при комнатной температуре при этом резко возросла и, как видно из сравнения спектров b и c на рис. 1, одновременно возросла доля центров эрбия в состоянии I (см. также таблицу). Очевидно, это служит дополнительным свидетельством справедливости высказанного предположения, что состояние I ответственно за процессы ФЛ. Отметим, что указанный отжиг не сопровождается изменением параметров спектра I, т. е. изменение структуры матрицы не приводит к изменению локальной структуры атомов эрбия в ранее сформированных кластерах [Er–O], что возможно при условии образования достаточно большого кластера с размерами порядка постоянной решетки оксида эрбия — по модели, предложенной в работе [10]. При этом процесс образования новых кластеров в процессе высокотемпературного отжига происходит, по-видимому, еще Рис. 4. Зависимость относительной интенсивности ФЛ при в аморфной фазе. Существует две причины увеличения = 1.54 мкм (точки 1, левая шкала) и относительной доли кластеров Er2O3 при кристаллизации аморфного составляющей спектра типа I (точки 2 и 3, правая шкала) для пленок a-Si : H Er при T = 295 K от концентрации эрбия кремния: во-первых, увеличение концентрации свободноN(Er). Точки 3 взяты из работы [9]. го кислорода в образце, ранее связанного с водородом, Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Примесные атомы эрбия в кремнии во-вторых, как было установлено в работе [7], эффективность образования кластеров [Er–O] в кристаллическом кремнии повышается с увеличением температуры отжига. Аналогичный эффект может иметь место и в аморфном кремнии; напомним, что температура подложки при изготовлении аморфных пленок равна 300C. Согласно результатам, представленным в работе [7], в кристаллическом кремнии при температуре послеимплантационного отжига 400C образуются только кластеры со структурой типа ErSi2.

Таким образом, в результате проведенного исследования установлено, что оптически активными центрами в кристаллическом и аморфном кремнии, легированном эрбием и кислородом, являются кластеры [Er–O], причем локальная симметрия ионов Er3+ в этих кластерах аналогичная таковой в Er2O3.

Работа частично поддержана фондами ИНТАС и РФФИ (грант INTAS–RFBR № 95 0531).

Список литературы [1] H. Ennen, J. Shneider, G. Pomrenke, A. Axmann. Appl. Phys.

Lett., 43, 943 (1983).

[2] H. Ennen, G. Pomrenke, A. Axmann, K. Eisele, W. Haydl, J. Chneider. Appl. Phys. Lett., 46, 381 (1985).

[3] M.S. Bresler, O.B. Gusev, V.Kh. Kudoyarova, A.N. Kuznetsov, P.E. Pak, E.I. Terukov, I.N. Yassievich, B.P. Zaharchenya. Appl.

Phys. Lett., 67, 3599 (1995).

[4] Е.И. Теруков, В.Х. Кудоярова, М.М. Мездрогина, В.Г. Голубев, A. Sturm, W. Fuhs. ФТП, 30, 820 (1996).

[5] A. Polman, G.N. van den Hoven, J.S. Custer, J.H. Shin, R. Serna, P.F.A. Alkemade. J. Appl. Phys., 77, 1256 (1995).

[6] D.L. Adler, D.C. Jacobson, D.J. Eaglesham, M.A. Marcus, J.L. Benton, J.M. Poate, P.H. Citrin. Appl. Phys. Lett., 61, (1992).

[7] A. Terrasi, G. Franzo, S. Coffa, F. Priolo, F. D’Acapito, S. Mobilio. Appl. Phys. Lett., 70, 1712 (1997).

[8] V.F. Masterov, L.G. Gerchikov. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 422, 227 (1996).

[9] В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, П.П. Серегин, В.Х. Кудоярова, А.Н. Кузнецов, Е.И. Теруков. Письма ЖТФ, 22, вып. 23, 25 (1997).

Редактор Т.А. Полянская Erbium impurity atoms in silicon V.F. Masterov, F.S. Nasredinov, P.P. Seregin, E.I. Terukov, and M.M. Mezdrogina St.Petersburg State Technical University, 195251 St.Petersburg, Russia

Abstract

By means of the Er(169Tm) emission Mossbauer spectroscopy the photoluminescence centers in Er doped crystalline silicon have been shown to be [Er–O] clusters. The local surrounding of the Er3+ ions in the clusters is similar to the Er3+ surrounding in Er2O3. These clusters are similar also to those of photoluminescence centers in Er doped amorphous hydrogenated silicon.




© 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.