WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Радиоспектроскопия широкозонных полупроводников: SiC и GaN © П.Г. Баранов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: Pavel.Baranov@pop.ioffe.rssi.ru Доклад на юбилейной конференции ФТИ им. А.Ф.Иоффе ”Physics at the Turn of the 21st Century” посвящен последним исследованиям методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основных примесей в широкозонных полупроводниках SiC и GaN, которые весьма вероятно являются наиболее перспективными материалами для микроэлектроники и квантовой полупроводниковой электроники на пороге 21 века.

Карбид кремния находит все большее применение как мельче по сравнению с уровнем алюминия. Акцепторы материал для приборов микроэлектроники, работающих III группы с мелкими уровнями в SiC были исследов экстремальных внешних условиях, которых, к сожале- ваны различными радиоспектроскопическими методами нию, грядущий век готовит предостаточно. Использова- в работах [1–11]. Важным результатом, полученных ние полупроводниковых материалов III–V на основе ни- методами ЭПР и оптически детектируемого магнитного тридов обещает решение проблемы полупроводниковых резонанса (ОДМР) в SiC, является обнаружение резкого лазеров, работающих в ультрафиолетовом и видимом отличия свойств мелких акцепторов бора от свойств друдиапазонах. гих акцепторов элементов III группы алюминия и галлия:

Работа состоит из трех основных частей и представля- g-факторы мелкого алюминия и мелкого галлия характеет результаты исследований последних пяти лет, выпол- ризуются сильной аксиальной симметрией вдоль гексагоненных главным образом в ФТИ, а также в результате нальной оси кристалла (в кубическом SiC спектры ЭПР сотрудничества с рядом европейских институтов. мелкого Al и Ga не наблюдались) и отражают симмеВ первой части представлены результаты исследова- трию вершины валентной зоны, т. е. могут быть описаны ний основных акцепторов в SiC элементов III группы в приближении эффективной массы. Для мелкого бора (B, Al, Ga), двойного акцептора Be и занимающего такое приближение не применимо, поскольку g-фактор несколько особое место Sc. в этом случае практически изотропен вблизи g = 2.0.

Вторая часть посвящена исследованию элементов пе- Анизотропия спектров ЭПР чрезвычайно мала и при низреходных металлов в SiC и GaN, образующих в запре- ких температурах симметрия является аксиальной вдоль щенной зоне, как правило, ряд глубоких уровней. c-оси только для акцепторов мелкого бора в h-позициях.

В третьей части кратко представлены результаты на- В k-позициях локальная ось z мелкого бора совпадает ших исследований редкоземельных элементов в SiC. с остальными направлениями связей Si–C, отличных от оси c; для кубического SiC (в котором в отличие от алюминия и галлия наблюдались спектры ЭПР мелкого I. ЭПР акцепторов SiC 1. Элементы III группы (B, Al, Ga) 1. 1. Элементы III группы с мелкими уровн я м и. Элементы III группы (B, Al, Ga) являются основными акцепторными примесями в SiC, которые используются для создания материалов p-типа. До последних лет считалось, что B обладает двумя уровнями:

мелким, так называемый мелкий бор (sh B—shallow B) и глубоким, глубокий бор (d B — deep B). Что касается Al и Ga, то предполагалось, что эти примеси характеризуются только мелкими уровнями, что делало их более привлекательными для применений. В качестве примера на рис. 1 представлена система различных акцепторных уровней для 6H-SiC. В кристалле 6H-SiC имеются одна гексагональная (h) и две квазикубические (k) кристаллографически–неэквивалентные позиции, если рассматривать вторые координационные сферы. Обращает на себя внимание тот факт, что энергетические уровни мелкого бора глубже, чем мелкого алюминия, хотя логически должна бы наблюдаться обратная Рис. 1. Схема энергетических уровней основных акцепторов картина, как, например, в кремнии, где уровень бора в 6H-SiC, взятая из работы [11].

790 П.Г. Баранов бора) ось z совпадает с направлениями 111 кристалла. глубокого B было общепризнано и наша задача состояла При этом во всех случаях 40% спиновой плотности в поисках спектров ЭПР таких центров, в случае с локализовано на одном из ближайших к бору атомов алюминием и галлием существовало мнение, что эти углерода, расположенного вдоль локальной оси симме- примеси образуют только мелкие акцепторные уровни.

трии z мелкого бора. Величина спиновой локализации Спектры ЭПР глубокого бора в кристаллах 6H-SiC были на атоме бора мала (порядка 1%) и сравнима с подоб- обнаружены и изучены в работах [5,12–14], т. е. более ными величинами для акцепторов алюминия и галлия, чем через 30 лет после наблюдения ЭПР мелкого бооднако в последних двух случаях спиновая плотность, ра [1]. Центр глубокого бора имеет симметрию, близкую по-видимому, распределена равномерно вокруг примеси, к аксиальной. При этом анизотропия g-фактора примерно главным образом на атомах углерода в соответствии со на порядок больше по сравнению с мелким бором, а структурой валентной зоны SiC.

локализация электрона на боре так же мала как и в На основании экспериментальных исследований и теслучае мелкого бора.

оретических расчетов сделан вывод, что акцепторный Спектры ЭПР, подобные спектрам глубокого бора, быатом замещает кремний в SiC и решающую роль играет ли обнаружены в кристаллах, активированных галлием и различие в размерах бора, с одной стороны, и алюмиалюминием. Качественно ориентационные зависимости ния и галлия, с другой. Различие в ионных радиусах спектров ЭПР для глубокого бора и новых спектров алюмежду акцептором и кремнием R = R(A3+) - R(Si4+) миния и галлия близки, только g-факторы g существенравно -0.19, +0.09 и +0.20 для A = B, Al и Ga но большие для центров алюминия и галлия, и близки к соответственно. Выбор ионных радиусов базировался на подобным характеристикам для мелких Al и Ga. Однако упрощенном предположении, что кристалл SiC состоит во всех случаях для глубоких B, Al и Ga g 2.0, = из ионов Si в валентном состоянии Si4+ и связывающих т. е. эти центры не могут быть описаны в приближении электронов. В такой модели акцептор находится в ваэффективной массы. Удивительным результатом явилось лентном состоянии A3+. Таким образом, физические то, что первое наблюдение глубоких центров, связанных свойства мелких акцепторов зависят от соотношения с алюминием и галлием в SiC, были сделаны методами между размерами акцептора и кремния. Для бора, радиус ЭПР и двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР).

которого меньше радиуса кремния, характерно неценИз данных ОДМР [5,11] и их корреляции с результатральное (off-centre) положение бора. При этом бор тами ЭПР исследований следует, что глубина уровня смещается из своего равновесного положения в центре глубокого бора составляет 0.6–07 eV, тогда как уровень тетраэдра и располагается ближе к центру плоскости, глубокого алюминия на 0.1 eV мельче (рис. 1).

образованной тремя ближайшими атомами углерода.

На основания всего комплекса радиоспектроскопичеВ результате нарушается sp3-гибридизация и спиновая ских исследований была предложена модель микрострукплотность перераспределяется на четвертый атом углетуры центров глубокого B, глубокого Al и глубокого рода, отстоящий на большем расстоянии от атома бора.

Ga, представляющая собой пару в виде атома примеси Вследствиe этого в плоскости образуется треугольная группировка вокруг центрального атома бора типа BC3 (B, Al, Ga) в позиции кремния и расположенной рядом вакансии углерода. При этом направление ”примесьс sp2-гибридизацией. Подобные модели реализуются как вакансия” совпадает с c-осью кристалла как для h, так для гексагональной позиции бора, так и для квазии для k-позиций в гексагональных политипах SiC и с кубических. В последних случаях сдвиги бора происнаправлением 111 в кубическом SiC. В этой модели ходят вдоль направлений связей Si–C, не совпадающих неспаренный электрон главным образом локализован на с осью c. Для Al и Ga, имеющих атомные радиусы вакансии углерода.

больше радиуса Si, реализуются, очевидно, центральное Наличие глубоких уровней у всех элементов III групположение примеси и sp3-гибридизация и, как следствие, пы приводит к процессу самокомпенсации при изготомассо-подобные свойства акцепторов. Во всех случаях влении материалов SiC p-типа и требует дальнейшего акцептор (B, Al, Ga) нейтрален, и в случае бора наусовершенствования технологического процесса.

блюдается неравномерность в распределении спиновой плотности вблизи примеси из-за ее нецентральности.

В результате, также уровень мелкого бора становится 2. Акцепторы бериллия и скандия более глубоким, по нашим оценкам примерно на 0.05 eV, 2.1. Б е р и л л и й. Бериллий является двойным акпо сравнению с ожидаемым в случае центрального цептором в SiC (рис. 1). Акцепторы Be были исположения примеси. Следует отметить, что подобная следованы методами ЭПР и ДЭЯР в работах [15,16].

ситуация известна в кремнии, где уровень доноров азота Форма спектров ЭПР бериллия и их ориентационные глубже по сравнению с фосфором из-за нецентрального зависимости существенно зависят от температуры реположения примеси азота.

гистрации и претерпевают изменения в области тем1. 2. Элементы III группы с глубокими уровнями. Следующим этапом в изучении акцеп- ператур выше 10 и 50 K. В области температур ниже торов B, Al и Ga было обнаружение и исследование 10 K наблюдались спектры ЭПР трех типов центров с спектров ЭПР глубокого B, глубокого Al и глубокого Ga. симметрией близкой к аксиальной, относящихся к двум При этом следует отметить, что если наличие уровней квази-кубическим и гексагональной позициям бериллия Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Радиоспектроскопия широкозонных полупроводников: SiC и GaN Примеси элементов переходных металлов в различных зарядовых состояниях, изученных в кристаллах SiC и GaN SiC free atom Sc (3d14s2) Ti (3d24s2) V (3s34s2) Cr (3d54s1) Mo (4d55s1) Ta (5d36s2) A2- Sc2+ (3d1) Cr2+ (3d4) S = 1/2 S = A- Sc3+ (3d0) Ti3+ (3d1) V3+ (3d2) Cr3+ (3d3) Mo3+ (4d3) Ta3+ (5d2) S = 0 S = 1/2 S = 1 off-centre S = 3/2 S = S = 3/A0 Sc Ti4+ (3d0) V4+ (3d1) Cr4+ (3d2) Mo4+ (4d2) acceptor S = 0 S = 1/2 S = 1 S = S = 1/A+ V5+ (3d0) Cr5+ (3d1) Mo5+ (4d1) S = 0 S = 1/2 S = 1/GaN free atom Mn (3d54s2) Fe (3d64s2) Ni (3d84s2) A- Mn2+ (3d5) S = 5/A0 Fe3+ (3d5) S = 5/2 Ni3+ (4d7) S = 3/П р и м е ч а н и е. Считается, что примеси замещают Si (Ga) в этих кристаллах. Подчеркнуты состояния, наблюдавшиеся в кристаллах методом ЭПР.

в 6H-SiC. При температурах выше 50 K симметрия двух II. Элементы переходных металлов центров бериллия, отнесенных нами к квази-кубическим в SiCи GaN позициям бериллия, ниже аксиальной с осью z, направленной вдоль одной из связей Be–C, не совпадающей Элементы переходных металлов могут входить в виде с осью c. Предполагается, что из-за малого радиуса по неконтролируемых примесей в SiC и GaN и при этом сравнению с кремнием, атом бериллия подобно мелкому создавать глубокие уровни в запрещенной зоне. Каждая бору занимает нецентральное положение в узле кремния, примесь, как правило, входит в кристалл в нескольт. е. сдвигается из центра тетраэдра по направлению к ких зарядовых состояниях и оказывает существенное центру плоскости трех атомов углерода и удаляется влияние на электрические и оптические характеристики от четвертого атома углерода с наибольшей спиновой материала. Весьма перспективно контролируемое исплотностью. В отличие от мелкого бора, в котором пользование этих примесей для создания полуизолирубор нейтрален, бериллий должен быть отрицательно ющих подложек при изготовлении приборных структур.

заряжен.

Однако до начала наших работ были обнаружены и 2. 2. С к а н д и й. Скандий может служить некоторым исследованы методами ЭПР только титан и ванадий в мостом между акцепторами и переходными элементами:

SiC [19] и железо в GaN [20]. В таблице представлены с одной стороны, это элемент III группы, с другой элементы переходных металлов в различных зарядовых стороны, он является первым элементом в группе песостояниях, исследованных в SiC и GaN к настоящему реходных металлов. Этот факт отражен в таблице, где времени. Подчеркнуты зарядовые состояния, которые Sc в нейтральном состоянии (A0) в замещающем Si наблюдались методом ЭПР [21–24]. В настоящей раположении (четыре валентных электрона участвуют в боте хотелось бы отметить, что все имеющиеся данные связях с четырьмя атомами C) является акцептором, а хорошо согласуются с предположением, что примесные в состоянии A2- имеет один неспаренный d-электрон.

ионы переходных элементов находятся в замещающем Наблюдались спектры ЭПР по крайней мере трех типов положении на месте кремния в SiC или галлия в GaN.

акцепторов Sc [15,17]. Эти спектры как и в случаях с Если в случае GaN такое предположение не оспариваакцепторами мелкого B и Be существенно зависят от ется, то для SiC существуют противоречивые мнения, температуры. Выше 30 K они имеют аксиальную симоснованные главным образом на том, что в кремнии метрию, а при низких температурах симметрия понижапереходные элементы чаще занимают междоузельные ется. Наряду со спектрами акцепторов Sc, наблюдались положения. В качестве примера рассмотрим ион Cr3+, сигналы ЭПР, которые нами приписываются ионам Sc2+, для которого спектр ЭПР [21] хорошо объясняется неоднако это уже предмет обсуждения следующей главы.

центральным (off-center) положением хрома в узле кремСледует добавить, что в спектрах ОДМР в кристаллах SiC с примесью Sc нами наблюдались интенсивные ани- ния (рис. 2). Наблюдаемая суперсверхтонкая структура может быть хорошо объяснена взаимодействием этого зотропные сигналы [5], которые по аналогии с примесью Ti [18] могут быть приписаны экситонам, связанным на иона с шестью эквивалентными атомами Si и тремя акцепторах Sc. эквивалентными атомами Si второй координационной Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 792 П.Г. Баранов III. Редкоземельные элементы в SiC В последнее время широкое распространение получили поиски полупроводниковых материалов с примесью редкоземельных элементов для создания оптических приборов. Особое место занимают ионы Er3+, имеющие люминесценцию с длиной волны 1.54 µm, которая совпадает с окном прозрачности волоконной оптики.

Полагаем, что SiC может быть успешно использован для этих целей, поскольку этот материал имеет широкую запрещенную зону, что важно для эффективной люминесценции Er3+, с другой стороны, элементы микроэлектроники на основе SiC : Er, по-видимому, могут быть непосредственно сопряжены с кремниевыми элементами.

Нами решена проблема введения ионов Er3+ в объемные кристаллы SiC в процессе выращивания [26]. В этих кристаллах впервые наблюдались интенсивные сигналы ЭПР нескольких типов ионов Er3+. Более детальная информация об исследованиях редкоземельных элементов в SiC изложена в нашем докладе [25].

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.