WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 6 Влияние имплантации ионов P на фотолюминесценцию нанокристаллов Si в слоях SiO2 © Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 11 ноября 2002 г. Принята к печати 20 ноября 2002 г.) Изучено влияние имплантации 1013-1016 см-2 ионов P и последующего отжига при 600-1100C на фотолюминесценцию нанокристаллов Si, заранее сформированных в слоях SiO2. Сразу после имплантации дозы 1013 см-2 наблюдается гашение полосы 780 нм, излучаемой нанокристаллами. Восстановление эмиссии частично нарушенных нанокристаллов заметно уже с 600C, но после превышения дозы аморфизации необходимы отжиги 1000-1100C. После отжигов обнаружены усиление люминесценции при имплантации малых доз P и ее ускоренное восстановление, когда концентрация P превышает 0.1 ат%. Первый эффект объясняется ударной кристаллизацией нановыделений, второй — ускорением кристаллизации примесью. Последнее наряду с дозовой зависимостью послеотжиговой люминесценции рассматривается как свидетельство попадания атомов P в нанокристаллы Si. Вопреки ряду оценок введение P не приводит к гашению люминесценции из-за оже-рекомбинации. Расхождения объясняются взаимодействием носителей с ядрами доноров.

1. Введение нации [3–5,7], а гашения — оже-рекомбинации из-за появления в нк-Si дополнительных носителей [2,5,6].

Размеры элементов микроэлектроники уже вступают Общим для всех цитированных работ был очень высокий в нанометровый диапазон, где классические представле- уровень легирования, причем примесь не вводилась в ния о поведении носителей заряда перестают быть спра- готовые нк-Si, а предполагалось ее попадание туда в ведливыми. Решающую роль начинают играть волновые процессе формировния наноструктур.

свойства электронов и квантовые размерные эффекты.

Цель данной работы — исследовать влияние импланВ частности, для кремния, основного полупроводнитации ионов P и последующего отжига на ФЛ нк-Si, кового материала, квантово-размерные ограничения в заранее созданных в слоях SiO2.

нанокристаллах делают их источником сильной видимой люминесценции. Это позволяет надеяться на создание 2. Эксперимент чисто кремниевой оптоэлектроники и создает дополнительный интерес к свойствам кремниевых нанокристалнк-Si Создавались имплантацией 1017 см-2 ионов Si лов (нк-Si) и к методам их модификации. Легирование, с энергией 140кэВ в термически выращенные на Si а в настоящее время преимущественно ионное легислои SiO2 толщиной 0.6 мкм. Плотность ионного тока рование, является ключевой операцией при изготовлене превышала 2 мкА/см2. После отжигов при 1100C нии полупроводниковых приборов, поэтому исследовав течение 2 ч слои давали сильную ФЛ с максимумом ние ее применительно к нк-Si становится актуальным.

вблизи 780 нм, характерную для квантово-размерных На данном этапе этот вопрос изучен еще слабо и кристаллов Si. Затем в слои внедряли ионы P дозами от имеющиеся результаты противоречивы. В работах [1–5] 1 · 1013 до 1 · 1016 см-2 при энергии 150 кэВ. Выбранное делалась попытка легировать бором и фосфором нк-Si, соотношение энергий ионов Si и P обеспечивало примерформируемые сораспылением Si и боро- либо фосфорное равенство их пробегов. Затем образцы отжигались носиликатных стекол с последующим отжигом 1100C.

в атмосфере N2 по 30 мин при температурах 600, 800, Контроля за содержанием примеси в нк-Si не было, но 1000 и 1100C. Контролировалось изменение спектров по косвенным данным ее уровень был порядка 1 мол%.

ФЛ при 20C, возбуждаемой линией 488 нм аргонового Согласно [2], введение B в концентрации 0.5-1.5мол% лазера. Параллельно с рабочими образцами снимался ослабляло фотолюминесценцию (ФЛ). В работах [3,4] постоянный калибровочный, и на всех последующих легирование фосфором до уровня 0.4-1.7мол% усилирисунках интенсивности ФЛ даны в одних и тех же вало ФЛ, однако, согласно [5], фосфор в концентрациях единицах.

более 0.6 мол% снижал эмиссию. Об ослаблении ФЛ при случайном попадании в нк-Si атомов Ga сообщалось в [6]. С другой стороны, при имплантации в SiO2 ионов Si 3. Результаты и P с последующим отжигом 1000C формирующиеся нк-Si давали более интенсивную ФЛ, чем без P [7]. Сразу после облучения интенсивность ФЛ резко паНаиболее вероятным механизмом усиления ФЛ счи- дала даже для минимальных доз ионов P (рис. 1).

талось устранение центров безызлучательной рекомби- Этого можно было ожидать, поскольку каждый ион P Влияние имплантации ионов P на фотолюминесценцию нанокристаллов Si в слоях SiO2 производил при торможении около 1000 смещений.

Вместе с тем, как видно из вставки на рис. 1, рост дозы ионов P сопровождался последовательными изменениями спектров. Начиная с доз 1014-3 · 1014 см-2 падение интенсивности основной полосы 780 нм сопровождалось вначале ростом эмиссии в оранжевой области, а затем вновь доминировало свечение вблизи границы видимого и ИК диапазонов.

Отжиги при 600 и 800C оказались недостаточны для восстановления исходной ФЛ (рис. 2), хотя ее интенсивность с повышением температуры постепенно увеличивалась. Интересно, что усиление ФЛ происходило не только в красной–ИК части спектра, где обычно излучают нк-Si, но и с более коротковолновой ( <700 нм), часто связываемой с некристаллическими нановыделениями Si в SiO2. Это могло быть вызвано Рис. 2. Спектры ФЛ после имплантации ионов P и отжигов ростом их числа, либо устранением центров безызлупо 30 мин при 600C (a) и 800C (b). Обозначения см. рис. 1.

чательной рекомбинации. Чем меньше была доза P, тем Спектры 4–7 даны вверху при увеличении.

быстрее восстанавливалась полоса 780 нм. Такая ситуация наблюдалась в диапазоне доз 1 · 1013-1 · 1015 см-2.

Однако увеличение дозы выше 1015 см-2 ускоряло отжиг (рис. 2). В верхней части рис. 2, a спектры для больших доз показаны в более крупном массштабе. Видно, что увеличение концентрации P способствует при низкотемпературных нагревах росту ФЛ.

Рис. 3. Спектры ФЛ после имплантации ионов P и отжигов по 30 мин при 1000C (a) и 1100C (b). Обозначения см. рис. 1.

Весьма существенный рост интенсивности ФЛ наблюдался после отжигов 1000 и 1100C (рис. 3). После 1000C обращают на себя внимание две особенности:

полностью исчезает оранжевая полоса и после малой дозы интенсивность основной полосы ФЛ превышает исходную. С дальнейшим увеличением дозы P интенсивность полосы вблизи 780 нм понижается, за исключением самой большой из доз (рис. 3, a). После нее эмиссия оказывается более сильной, чем после предыдущей 3 · 1015 см-2. Для больших доз заметно также, что при отжиге 1000C максимум ФЛ несколько смещается в длинноволновую сторону. Увеличение температуры отжига до 1100C приводит к четкой зависимости ФЛ от дозы P. Для наименьшей дозы интенсивность свечения Рис. 1. Спектры ФЛ до (пунктир) и после имплантации при 780 нм по-прежнему превышает исходную (рис. 3, b).

ионов P дозами, 1014 см-2: 1 —0.1, 2 —0.3, 3 —1, 4 —3, По мере дальнейшего роста дозы P свечение слабеет, но 5 — 10, 6 — 30, 7 — 100. Спектры 3–7 даны на вставке при увеличении. все же остается достаточно сильным. Увеличение дозы 7 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 740 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов ионов P на 3 порядка с 1 · 1013 до 1 · 1016 см-2 понижает эмиссию всего в 2 раза. Отметим также, что после 1100C с ростом дозы P существенного сдвига максимума полосы не происходит. Он располагается вблизи 780 нм, т. е. там же, где и у нелегированных исходных нк-Si. Лишь после максимальной дозы 3 · 1016 см-появляется небольшое плечо в районе 820-830 нм.

4. Обсуждение результатов Для анализа полученных данных необходимо прежде всего оценить, сколько атомов P и сколько смещений приходилось на один нк-Si в условиях наших экспериментов. Соответствующие распределения концентраций примеси и смещений (вакансий) по глубине рассчитаны по программе TRIM-95 (рис. 4). Объем одного нк-Si равен примерно 10-19 см-3, таким образом, при минимальной дозе 1013 см-2 на 1 нк-Si приходилось в среднем 0.05 атомов P и 50 смещений, а при максимальной 50 и 5 · 104 соответственно. Приведенные оценки помогают понять, какие из обнаруженных явлений обусловлены дефектами, а какие примесью.

Гашение ФЛ после облучения даже минимальной Рис. 4. Распределения по глубине ионов Si, 140 кэВ, 1017 см-дозой (рис. 1) соответствует теоретическим оценкам [8] и P, 150 кэВ, 1015 см-2, а также вакансий (Vp), созданных и экспериментальным данным [9], согласно которым ионами P, согласно расчету по программе TRIM-95 (порогодаже одного дефекта на нк-Si достаточно для подав- вая энергия смещения 15 эВ). Стрелками обозначен интервал глубин, где могли формироваться нк-Si. Для дозы P 1015 см-ления излучательной рекомбинации. Объясняется это показаны глубины, где на объем 1 нк-Si приходилось в среднем тем, что в нк-Si непрямая структура зон скорее всего не менее 1 смещения (штриховая), и до которой предполагасохраняется, что затрудняет излучательную рекомбиналась полная аморфизация нк-Si (штрихпунктир).

цию возбужденной пары, затягивая ее время жизни до 10-100 мкс. Для сравнения, в прямозонных полупроводниках рекомбинация пары происходит за 1нс, когда ее компоненты еще не успевают разойтись. Большое То, что после доз выше 3 · 1014 см-2 отжиги менее время жизни пары в нк-Si делает весьма вероятным 1000C мало эффективны, есть, по-видимому, следствие захват носителей на единственный дефект, поскольку аморфизации нк-Si. Действительно, при указанной дозе скорость захвата оценивается в 1010-1011 с-1 [8]. Ча- число смещений в нк-Si достигает 1500, что выше стичное сохранение ФЛ после внедрения малых доз порога аморфизации, определенного в [9] как ионов P связано с неравномерностью распределений смещений на нк-Si или 0.2 смещения на атом. В рабоионов и смещений по глубине и неполным их перекры- те [9] порог аморфизации был определен при облучении тием (рис. 4). легкими ионами He, производившими лишь подвижные Не связан с примесью и рост ФЛ после облу- точечные дефекты. В данной работе использованы более чения малыми дозами P и отжигов 1000 и 1100C тяжелые ионы P, способные вводить в нк-Si дефектные (рис. 3). Ранее подобное наблюдалось в случае облу- комплексы — стоки для подвижных дефектов. Это, одначения ионами He [9]. Эффект был объяснен появлени- ко, не сильно повлияло на порог аморфизации, учитывая ем дополнительных нк-Si в результате вызванной об- упоминавшееся неполное соответствие распределений лучением кристаллизации кремниевых нановыделений. нк-Si и упругих потерь. В обычном Si уменьшение Рост числа нк-Si был установлен прямыми электронно- массы ионов ниже 30 а.е. ведет к быстрому росту дозы микроскопическими наблюдениями [9], а впоследствии аморфизации при 20C, и для самих легких частиц аморподтвержден в работе [10] на примере нк-Ge. Пред- физация вообще становится невозможной. Примерное полагалось, что кристаллизация нановыделений носит совпадение затрат упругих потерь ионов He и P на аморударный характер и инициируется единичными смеще- физацию нк-Si говорит о том, что поверхность нк-Si ниями [9]. Такое возможно, если в результате первого является весьма эффективным стоком для накопления отжига 1100C часть фазовых нановыделений Si не дефектов. Резкое усиление полосы 780 нм после отжигов кристаллизовалась и находилась в SiO2 в напряженном 1000C и выше с одновременным исчезновением орансостоянии. Согласно работам [11,12], кремниевые на- жевого свечения согласуется с представлением о преновыделения дейстительно испытывают сжатие поверх- вращении некристаллических нановыделений Si в нк-Si.

ностными слоями. Отметим высокую температуру кристаллизации уже Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Влияние имплантации ионов P на фотолюминесценцию нанокристаллов Si в слоях SiO2 созданных, но аморфизированных нк-Si, по сравнению с диэлектрической постоянной [18]. Известно, например, температурой кристаллизации объемного аморфного Si что в пористом Si, приготовленном из сильно легиро( 500-600C). Отжиги выше 1000C нужны таким ванного материала, свободные носители при комнатной образом именно для фазового перехода, а не просто для температуре не обнаруживаются [19,20]. Мы считаем, диффузионно-лимитируемого роста частиц. Это, видимо, что в нк-Si, содержащих P, волновые функции носителей также обусловлено сильным влиянием поверхностного претерпевают существенные изменения и применимость слоя на кристаллизацию нановыделений [13].

к данному случаю теоретических оценок [8] не очевидМы полагаем, что действие примеси проявилось на. Небольшое снижение интенсивности ФЛ с ростом в ускорении отжига, отмечаемом после доз выше дозы P связано скорее всего не с оже-рекомбинацией, а 1015 см-2, когда расчетная концентрация P превышает с постепенным накоплением в нк-Si различных несовер 0.1 ат%. Известно, что хорошо растворимые примеси шенств.

III и V групп в концентрациях порядка 0.1-1.0ат% ускоряют кристаллизацию Si [14]. Рост ФЛ с ростом концентрации P лучше заметен при относительно невы5. Заключение соких температурах отжига (600-1000C) (рис. 2 и 3, a), что согласуется с данными [7,15,16]. Как видно из рис. 1–3, изменение дозы P практически не вызывает Изучено влияние имплантации ионов P и последуюсмещений полосы 780 нм, что говорит в пользу изме- щего отжига на ФЛ нк-Si, изначально сформированных нения числа излучающих объектов, а не их свойств.

в SiO2. Наблюдающееся гашение основной полосы ФЛ Добавим, что, согласно электронно-микроскопическим сразу после имплантации дозы 1013 см-2 соответствует наблюдениям [4], введение P не влияет на размеры нк-Si.

оценкам о доминировании безызлучательной рекомбиВысокий уровень легирования сказался, видимо, и при нации даже при введении в нанокристаллы единичных облучении, когда ФЛ возрастала непосредственно после дефектов. Вместе с тем малые дозы приводят к усилевнедрения больших доз (рис. 1). Здесь надо заметить, нию ФЛ в отожженных образцах, что объясняется рочто ионно-стимулированное формирование наблюдалось стом числа нк-Si вследствие инициированной атомными ранее и для нелегированных нк-Si, но при температусмещениями кристаллизации нанопреципитатов. Восстарах облучения выше 500C [17]. Высокие концентрановление ФЛ после доз менее 3 · 1014 см-2 достаточно ции P способны облегчить протекание процесса при заметно уже при отжигах 600-800C. Однако после более низких температурах. Температура мишени во больших доз требуются отжиги 1000-1100C. Согласно времени имплантации к концу длительных облучений оценкам, это обусловлено аморфизацией нк-Si. Столь могла достигать примерно 100C. Для ФЛ важна таквысокие температуры восстановления ФЛ аморфизироже возможность пассивации центров безызлучательной ванных нк-Si говорят о том, что при формировании рекомбинации атомами P.

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.