WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Водородсодержащие доноры в кремнии — центры с отрицательной эффективной корреляционной энергией © Ю.М. Покотило¶, А.Н. Петух, В.В. Литвинов, В.Г. Цвырко Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия (Получена 13 июля 2004 г. Принята к печати 14 октября 2004 г.) Исследуется перестройка мелких водородсодержащих доноров в Si, которые формировались имплантацией образцов низкоэнергетическими (300 кэВ) ионами водорода с последующей термообработкой при температуре 450C. Эксперименты проведены на диодах Шоттки Ag–Mo–Si и диодах с мелким ( 1мкм) p+-n-переходом. Концентрация и распределение доноров определялись методом C-V -характеристик на частоте 1.2 МГц. Из анализа температурной зависимости равновесной концентрации электронов установлено, что процесс перестройки водородсодержащих доноров описывается в предположении перезарядки центра с отрицательной эффективной корреляционной энергией (U < 0). Трансформация между двумя равновесными конфигурациями двойного водородного донора (D++ D0) происходит при положении уровня Ферми B A EF = Ec-0.30 эВ. Обнаружена стимулированная захватом неосновных носителей заряда перестройка доноров из нейтрального в двукратно-заряженное состояние D0 D++ при комнатной температуре.

A B Известно [1–3], что в кремнии, имплантированном Термообработка всех имплантированных водородом ионами водорода, формируются при термообработке во- образцов приводила к увеличению в базе диодов кондородсодержащие доноры двух типов. Кратковременный центрации электронов и к остаточной неравновесной отжиг образцов при температурах 300-400C приводит проводимости, которая вызывалась закалкой образцов к формированию водородных двойных доноров (HDD), от 280C. На рис. 1 представлены профили распредеа их дальнейшая термообработка при температурах ления концентрации электронов (n0) в базе облученного 350-450C — к появлению более мелких водородных диода Шоттки, измеренные при комнатной температуре доноров (SHD) с уровнями при Ec-(0.020-0.035) эВ [4].

после закалки образцов от 280C в воду и последующей Установлено [5], что дефекты SHD являются биста- выдержки при фиксированной температуре в области бильными и их концентрация обратимо изменяется в 100-280C до достижения равновесного значения. Из области температур 90-300C. Достижение предельной рис. 1 видно, что при X > 0.75 мкм измеряемая величиконцентрации центров SHD ( 1017 см-3) при поло- на n0 соответствует концентрации фосфора в эпитаксижении уровня Ферми Ec-0.30 эВ и долговременная альном n-слое, а при X < 0.75 мкм наблюдается резкое релаксация проводимости при температурах 100-200C позволили авторам работы [6] предположить возможную принадлежность SHD к центрам с отрицательной эффективной корреляционной энергией (U < 0). В данной работе получено более строгое доказательство этого утверждения на основе исследования температурной зависимости равновесной концентрации электронов при термической перестройке SHD и влияния неосновных носителей заряда на процесс этой перестройки.

В эксперименте использовались диоды Шоттки на базе эпитаксиальных, легированных фосфором n-n+-структур Si с удельным сопротивлением n-слоя = 1.2Ом· см и мелкие ( 1мкм) p+-n-переходы с высокоомной ( = 1кОм· см) базой на основе зонного Si.

Образцы облучались ионами H+ с энергией 300 кэВ и потоком 1015 см-2 через металлический (Ag-Mo) контакт диода Шоттки или p+-область перехода. Отжиг Рис. 1. Профили распределения концентрации электронов облученных образцов проводился в кварцевой трубе на в базе облученного ионами водорода (доза 1015 см-2, энервоздухе. Профили распределения концентрации электрогия 300 кэВ) диода Шоттки, измеренные при комнатной темпенов в базе диодов измерялись стандартным C-V -меторатуре после закалки образцов от 280C в воду и последующей дом на частоте 1.2 МГц. Перед измерениями все образцы выдержке при фиксированной температуре (T ) до достижения проходили в течение 20 мин термообработку при темравновесного значения. Сплошной линией показано расчетпературе 450C, соответствующей режиму накопления ное распределение концентрации внедренного водорода NH максимальной концентрации SHD [4].

(TRIM [1]). T, C: 1 — 100, 2 — 120, 3 — 150, 4 — 170, ¶ E-mail: pokotilo@bsu.by 5 — 190, 6 — 210, 7 — 280.

Водородсодержащие доноры в кремнии — центры с отрицательной эффективной корреляционной... концентрации водородных центров SHD и принадлежности к ним мелких (Ec-(0.020 0.035) эВ) донорных уровней представленная зависимость n0(T ) может быть объяснена лишь в предположении обратимой перестройки конфигурации SHD. В этом случае все центры при температурах ниже 90C должны находиться в нейтральном состоянии (конфигурация A), а при температурах выше 220C — в состоянии мелкого донора (конфигурация B). Такое поведение характерно для бистабильных кислородсодержащих термодоноров (ТД) в Si [10] и Ge [11].

По аналогии с ТД положим, что SHD также являются двойными донорами с отрицательной эффективной корреляционной энергией (U < 0). Можно показать [10,11], что в этом случае равновесными конфигурациями дефектов являются D0 и D++, а концентрация дефекта с одним A B Рис. 2. Кинетика изменения концентрации электронов в захваченным электроном близка к нулю, т. е. полная максимуме их распределения (X 0.4мкм) после закалки 0 ++ концентрация доноров N NA + NB. С учетом этого образцов от 280C в воду и последующей выдержке при уравнение электронейтральности для случаев одноэлектемпературе T. Нумерация кривых — то же, что и на рис. 1.

тронной и двухэлектронной перезарядки доноров имеет одинаковый вид и может быть представлено следующим образом:

увеличение концентрации электронов с последующим n0 n0(ND - NA) E() спадом у границы барьера. Сравнение профилей n0(X) с = g() exp -, (3) распределением внедренных ионов водорода, рассчитан- Nc (ND-NA) +N kT ным с помощью TRIM [7] (сплошная кривая на рис. 1), где = 1 для однозарядного донора, g(1) =g+/g0 — позволяет утверждать, что увеличение концентрации фактор спинового вырождения, E(1) = Ec-E(0/+) — электронов связано с формированием водородсодержаэнергия одноэлектронной ионизации донора; = 2 для щих доноров.

двойного донора с U < 0, g(2) =g++/g0, E(2) = Ec На рис. 2 представлена кинетка изменения концен-E(0/ ++), E(0/ ++) =(1/2)[E(0/+) + E(+/ ++)] — трации электронов n(t) в максимуме их распределения уровень двухэлектронного заполнения, E(0/+) — (X 0.4мкм) после закалки образцов от 280C в воду разность энергий доноров в нейтральном и однократно и последующей выдержки при данной температуре в положительном зарядовом состояниях, E(+/ ++) — течение определенного времени t. Установлено, что разность энергий доноров в однократно и двукратно кинетика изотермической релаксации n(t) при темпераположительно зарядовых состояниях, ND-NA — турах 90-200C описывается соотношением разностная концентрация доноров и акцепторов. Из (3) следует, что дефект с U < 0 при положении уровня n(t) =n0 +[n(0)-n0] exp(-t/ ), (1) где n(t), n0 и n(0) — текущее, равновесное и начальное (после закалки) значения концентрации электронов при данной температуре соответственно; — значение постоянной времени, температурная зависимость которой имеет вид (t) =10-11 exp(1.14/kT ). (2) Здесь — в с, энергия активации процесса E = 1.14 эВ.

Отметим, что найденные значения параметров долговременной релаксации проводимости близки к определенным в работе [8,9] для процесса перестройки мелких водородных доноров типа SHD.

Температурная зависимость равновесной концентрации электронов n0 приведена на рис. 3. Значения n0 определялись после выдержки образцов в течение времени t > 3 для достижения равновесного состояния, которое, например, при комнатной температуре Рис. 3. Температурная зависимость равновесной концентра(20C) устанавливалось в течение 15 месяцев. С учетом ции электронов. Сплошная линия — расчет по формуле (3).

долговременного характера установления равновесной На вставке — анализ этих данных методом Хоффмана.

3 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 804 Ю.М. Покотило, А.Н. Петух, В.В. Литвинов, В.Г. Цвырко Si [10] и Ge [11], являются перестраивающимися. Это согласуется и с наблюдением методом фотоионизационной спектроскопии семи типов мелких водородсодержащих дефектов (HD1-HD7) с близкими значениями энергии ионизации (0.034-0.053 эВ) [14].

В соответствии с предложенной моделью двухэлектронной перезарядки центры SHD находятся при F > E(0/ ++) в состоянии D0. Тогда инжектироA ванные в базу диодов неосновные носители заряда (дырки) должны захватываться на глубокий уровень E(0/+) = 2E(0/ ++)-E(+/ ++) Ec-0.6эВ и приводить к перестройке конфигурации D0 D++ и к A B увеличению концентрации электронов, как это имеет место в случае захвата фотогенерированных дырок перестраивающимися ТД [8,9]. Результаты эксперимента, представленные на рис. 4, полностью подтверждают эту Рис. 4. Инжекционная перестройка конфигурации доноров модель. Биполярный диод с мелким p+-n-переходом и SHD (D0 D++) при комнатной температуре. Данные для A B состояния D0 (1) были получены после выдержки биполярного введенными в базу центрами SHD переводился путем A диода с введенными донорами при T = 100C в течение 10 ч, а выдержки при T = 100C в течение 10 ч в состоядля состояния D++ (2) — в результате инжекции неосновных ние 1 (см. рис. 4) с низкой концентрацией электронов.

B носителей заряда при плотности прямого тока j = 10 мА/смЗатем при комнатной температуре была проведена инв течение 5 с.

жекция неосновных носителей заряда (при плотности прямого тока j = 10 мА/см2 в течение 5 с), в результате которой диод переходил в состояние 2 с высокой конценФерми (F), меньшем E(0/ ++), будет находиться трацией электронов. Состояние неравновесной проводив состоянии D++, а в случае F > E(0/ ++) — в мости и соответствующее изменение емкости несмещенB состоянии D0.

ного p+-n-перехода в пределах 100 3600 пФ сохраA Экспериментальная зависимость n0(T ) описывается нялись затем при комнатной температуре без инжекуравнением (3) (сплошная линия на рис. 1) в предции в течение нескольких месяцев. Эксперимент был положении как одноэлектронной ( = 1), так и двухповторен многократно и свидетельствует о том, что электронной ( = 2) ионизации доноров. Однако совпроцесс конфигурационной перестройки центров SHD падение расчетной и экспериментальной зависимостей контролируется изменением их зарядового состояния.

достигается в первом случае при завышенной величине Результаты настоящей работы позволяют сделать вы E(1) = EC-0.63 эВ и физически нереальном значении вод о том, что мелкие водородсодержащие доноры фактора спинового вырождения g(1) =6000, в то время (SHD) в кремнии являются центрами с отрицательной как для случая двойного донора с U < 0 — при рекорреляционной энергией (U < 0) и по аналогии с ТД в альных значениях параметров: E(0/ ++) =Ec-0.30 эВ, Si и Ge могут существовать в двух равновесных конфиg++/g0 = 1 и N = 8.35 · 1015 см-3. Дифференциальный гурациях D++ и D0. Обратимая перестройка между этиB A анализ температурных зависимостей n0 методом Хоффми конфигурациями (D0 D++) происходит в области A B мана [12,13], результаты которого приведены на вставке температур 100-200C и контролируется изменением к рис. 3, также указывает на двухэлектронную перезазарядового состояния при положении уровня Ферми рядку центров. Действительно, представленная зависивблизи Ec-0.30 эВ. Обнаружено, что инжектированные мость n0(T ) в координатах Y = kT(dn0/dF) от F имеет в базу диодов неосновные носители заряда вызывают вид спектральной полосы с максимумом при уровне перестройку SHD из нейтрального зарядового состояния Ферми F = Ec-0.293 эВ и полушириной F = 1.8kTm, в двукратно-положительное (D0 D++) и, тем самым, A B где Tm — температура, при которой достигается максиостаточную проводимость при комнатной температуре.

мальное значение Y. В соответствии с работой [12] для Работа выполнена при частичной финансовой подобычных дефектов (U > 0) максимум Ym =(1/4)N при держке программы Интас-Беларусь (проект № 4529) значении Fm = E(1) и полуширине пика F = 3.5kTm, в то время как для дефектов с U < 0, Ym = N, Fm = E(2) и Республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Ф04МС-028).

и F = 1.8kTm.

На рис. 3 также показано, что суммарная концентрация неперестраивающихся водородных доноров Список литературы за вычетом компенсирующих акцепторов (ND-NA) 1.2 · 1016 см-3 и практически в 2 раза превышает [1] Y. Ohmura, Y. Zohta, M. Kanazawa. Phys. Status Solidi (a), концентрацию легирующей примеси фосфора. Очевидно, 15, 93 (1973).

существует несколько типов мелких водородных доно- [2] Yu.V. Gorelkinskii, V.O. Sigle, Zh.S. Takibaev. Phys. Status ров и только некоторые из них, как и в случае ТД в Solidi (a), 22, 55 (1974).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Водородсодержащие доноры в кремнии — центры с отрицательной эффективной корреляционной... [3] В.В. Козловский. Модифицирование полупроводников пучками протонов (СПб., Наука, 2003).

[4] Х.А. Абдуллин, Ю.В. Горелкинский, Б.Н. Мукашев. ФТП, 36 (3), 257 (2002).

[5] Yu.V. Gotelkinskii, N.N. Nevinnyi. Nucl. Instit. Meth., 209, 677 (1983).

[6] Б.Н. Мукашев, Х.А. Абдуллин, Ю.В. Горелкинский. УФН, 170 (2), 143 (2000).

[7] Ф.Ф. Комаров, А.Ф. Комаров. Физические процессы при ионной имплантации в твердом теле (Мн., УП Технопринт, 2001).

[8] Yu.V. Gorelkinskii, Kh.A. Abdullin, B.N. Mukashev. Mater Sci. Engin. C, C19, 397 (2002).

[9] Kh.A. Abdullin, Yu.V. Gorelkinskii, B.N. Mukashev. Physica B: Condenc. Matter., 340–342, 692 (2003).

[10] Л.Ф. Макаренко, В.П. Маркевич, Л.И. Мурин. ФТП, (11), 1935 (1985).

[11] V.V. Litvinov, G.V. Palchik. Phys. Status Solidi (a), 108, (1988).

[12] H.I. Hoffmann. Appl. Phys., A27, 39 (1982).

[13] H.I. Hoffmann. Appl. Phys., A27, 307 (1982).

[14] I. Hartung, I. Weber. Phys. Rev., 48 (19), 1461 (1993).

Редактор Т.А. Полянская Hydrogen-related donors in silicon — the centers with negative effective correlative energy Ju.M. Pokotilo, A.N. Petukh, V.V. Litvinov, B.G. Tsvirko Byelorussian State University, 220050 Minsk, Belarussia

Abstract

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.