WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 10 Нейтронно-наведенные эффекты в зонном кремнии, обусловленные дивакансионными кластерами с тетравакансионным ядром ¶ © П. Ермолов, Д. Карманов, А. Лефлат, В. Мананков, М. Меркин, Е. Шабалина Московский государственный университет, Научно-исследовательский институт ядерной физики, 119899 Москва, Россия (Получена 30 января 2002 г. Принята к печати 11 марта 2002 г.) Показано, что представление нейтронных нарушений в виде дивакансионных D-кластеров с тетравакансионным ядром адекватно описывает наблюдаемые нейтронно-наведенные эффекты в кремнии, выращенном методом зонной плавки. Также предсказывается, что при концентрации легирующей примеси выше критической напряжение полного обеднения уменьшается из-за „сжатия“ внешней области пространственного заряда кластера. Величина ожидаемого эффекта определяется фактором [1 - (rn/rcl)3]-1, где rn и rcl — радиусы ядра и кластера соответственно.

1. Введение В диффузионно-реакционном приближении кинетика образования дивакансионного D-кластера существенным Многочисленные теоретические и экспериментальные образом определяется отношением времен рекомбинаисследования ионно-облученных полупроводников [1–4] ции и диффузии вакансий = R/D = DV /VV NV L2, приводят к заключению, что за изменение их свойств где DV и NV — коэффициент диффузии и концентрация ответственны, как правило, сложные дефекты (комплеквакансий соответственно, VV — вероятность элеменсы, кластеры, разупорядоченные области), образующитарного акта рекомбинации, L — характерный размер еся в результате взаимодействия подвижных первичвакансионного кластера (V -кластера). В случае „застыных радиационных дефектов (вакансий и междоузлий) вающего“ V -кластера радиус дивакансионного кластера между собой и с ранее образовавшимися дефектами.

(D-кластера) есть L2 L[1 - 2exp(1/)]. При облучеОднако продвижение в изучении сложных дефектов в нии нейтронами с энергией 1 МэВ линейный размер значительной степени сдерживается отсутствием экспеD-кластера составляет 50 [12].

риментальных средств наблюдения и идентификации для Однако интерпретация нейтронно-наведенных эффекбольшинства типов сложных дефектов, если не считать тов на основе простых РД (вакансий [13], дивакансравнительно небольшого числа простых дефектов типа сий [14] и пар примесь–вакансия [15,16]) с помощью A- и E-центров, дивакансий или дефектов, обладающих моделей „донорного удаления“ и компенсации [7] приособыми свойствами (например, парамагнетизмом в слуводит к расхождению между теорией и экспериментальчае тетравакансии). Это приводит к невозможности в ными данными [7,17]. В то же время изучение спекполной мере осуществлять количественную проверку тров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в существующих теоретических моделей. В результате облученном кремнии показывает [18–20], что, помимо теоретические модели, как правило, являются придивакансий и пар примесь–вакансия, образуются мульближенными. Определенным приближением является и тивакансии — семейство дефектов, образованных цедиффузионно-реакционная модель образования устойчипочкой соседних вакансий в отдельной плоскости (110) вых кластеров, так как в ней занижена роль каскадного (конфигурация „зигзаг“). Эти стабильные при комнатной этапа дефектообразования [2,3]. Однако из-за сложности температуре дефекты могут создавать локализованные задачи количественные критерии такого приближения связанные состояния вблизи середины запрещенной не получены. Указанные трудности, по-видимому, и зоны. При этом идентифицированы центры Si-P3 — являются причиной отсутствия адекватного объяснения тетравакансии [18,19] и Si-P1 — пентавакансии [18–20].

различных нейтронно-наведенных эффектов в кремнии, Согласно недавнему теоретическому изучению [4] кольполученном зонной плавкой: 1) предельного положения цевых мультивакансий Vm с m = 1,..., 7, последние, уровня Ферми [5,6]; 2) инверсии типа проводимости [7];

за исключением гексавакансии, имеют глубокие уров3) поведения эффективной концентрации и обратного ни в запрещенной зоне. Гексавакансия V6 не является тока [8]; 4) прямого и обратного отжига [8–10].

вакасионно-подобной и электрически активной.

Цель настоящей работы — представить модель нейОбработка ЭПР-спектров кислородных комплексов тронных нарушений в зонном кремнии, которая адекватV O методом линейной комбинации атомных орбиталей но описывает нейтронно-наведенные эффекты.

показывает [21], что связанные состояния в запрещенной Многие экспериментальные данные свидетельствуют зоне могут возникать из расщепления молекулярной о том [2,11], что основными по концентрации радисвязи Si–Si, связывающей свободные sp3-орбитали двух ационными дефектами (РД) являются дивакансии, из атомов кремния. Связанные состояния соответствуют которых и состоят устойчивые вакансионные кластеры.

связывающей и антисвязывающей орбиталям. В ней¶ Fax: 7(095) 9395948 тральном зарядовом состоянии на связывающей орбиНейтронно-наведенные эффекты в зонном кремнии, обусловленные дивакансионными кластерами... тали находятся два электрона с противоположными спи- В ММД мультивакансии Vm в конфигурации „зигзаг“ нами. Дополнительно захваченный электрон помещается представляются как молекулярная связь Si(A)–Si(B) в на антисвязывающей орбитали. В такой модели положи- направлении 111 с расстоянием dAB между атомами A + и B на концах цепочки вакансий в плоскости (110) [19].

тельно заряженная дивакансия V2 представляется как Поправки к ММД определяют одноэлектронные самосостояние с неспаренным электроном на связывающей согласованные расчеты, учитывающие зарядовое состоорбитали, а отрицательно заряженная V2 —на антисвяяние дефектов, и корреляционные эффекты. В модели зывающем уровне. Основным состоянием нейтрального Халдейна и Андерсона [26] для изучения примесей пезарядового состояния V2 является синглет.

реходных металлов в ковалентных кристаллах в приблиИзмерения постоянной Холла показывают, что в зонжении Хартри величина смещения уровня дефекта Ed ном кремнии наблюдается эффект предельного полопри изменении зарядового состояния дефекта (примеси) жения уровня Ферми Ev + 0.39 эВ, после -облучения на единицу есть Co [5] и электронами [22,23] и Ev + 0.48 эВ после облучения быстрыми нейтронами [5,24]. Эф- dEL/dq = LdEd/dq = L(J - J )dM0/dq фект объяснялся амфотерными свойствами дивакан Eg(1 - 2a)2/nb, (1) сий с уровнями E2 = Ev + 0.51 эВ (или Ec - 0.54 эВ) + и E2 = Ev + 0.27 эВ [6,22,23]. Однако результаты рагде M0 — зарядовая заселенность узла дефекта; J, J — бот [24,25] показали, что дивакансии принадлежит уровнутри- и межатомные кулоновские интегралы, a и b — вень E2 = Ec - 0.4 эВ и, следовательно, происхождекоэффициенты линейной интерполяции вкладов зон в ние уровней, ответственных за предельное положение зарядовое состояние дефекта (a b 0.2); n —число уровня Ферми Ev + 0.39 эВ, должно быть другим. Пресостояний дефекта; L — степень локализации волновой дельное положение уровня Ферми указывает на то, что функции связанного состояния (L 0.6). Межатомные доминирующая роль в кластере должна принадлежать кулоновские члены J для удаленных атомов изменяются многозарядовым амфотерным центрам. Это означает, как dAB -1, J - J = U = q2/effdAB, где eff = —дичто в облученном кремнии и уровень Ферми, и равновес- электрическая проницаемость. Малая величина dM0/dq ная концентрация дырок определяются многозарядовы- по сравнению с единицей означает, что изменение зарями центрами (например, дивакансиями или тетравакан- дового состояния дефекта на единицу ведет к малому сиями) и в то же время не зависят от их концентрации, изменению электронной заселенности узла, в котором этот дефект расположен. Оно ведет к изменению уровня а следовательно, и от потока облучения.

дефекта Ed. В результате величина смещения dEL/dq не зависит от кулоновского вклада U = J - J и для среднего значения n 6-12 равна 0.22 эВ. Это значение 2. Электронная структура dEL/dq подтверждается и более сложными расчетами мультивакансий (методом псевдопотенциала в рамках формализма локальной плотности [27] и др.) и для вакансии составляет Одноэлектронное приближение, в рамках которого 0.21-0.25 эВ. Вывод о том, что несколько зарядовых проводится изучение ЭПР-спектров, согласно работам состояний дефекта могут приводить к локализованным Уоткинса [13], дает вполне удовлетворительное описауровням, подтвержден экспериментально на примере ние как изолированных вакансий, так и дефектов, являювакансий, примесей переходных и других металлов.

щихся совокупностью вакансий. В то же время из теореВ приближении Хартри–Фока в базисе детерминантов тических оценок следует, что многоэлектронные эффекСлэтера собственные состояния двухцентровой молекуты должны быть не менее важны, чем сам эффект Яна– лы классифицируются как ±( + U2/4)1/2 и ±U/2, где Теллера, и построить полную количественную теорию — одноэлектронное расщепление, соответствующее глубоких уровней без учета взаимодействия электронов -связи Si(A)–Si(B) — изменяется как dAB [28] (для невозможно. Однако трудность решения такой задачи, кремния 1.2эВ). Симметричная и антисимметричучитывающей многоэлектронные эффекты, состоит в ная функции, из которых строятся детерминанты Слэтетом, что ее нужно решать самосогласованно. В настояра, являются базисными функциями представлений g щее время точного решения таких задач не существует и и точечной группы симметрии C2v. Мультивакансии u используются различные приближения. Некоторые упроV2 (D3d C2h) и V4 имеют симметрию C2h, которая щения, в том числе и модель молекулы дефекта (ММД) изоморфна с C2v, и, следовательно, имеют то же предв приближении сильной связи, позволяют систематичеставление. Такое приближение, являющееся простым в ски проанализировать зависимость результатов от отнодвух предельных случаях — слабой ( U) и сильной сительной силы электрон-электронного взаимодействия, ( U) корреляции, оказывается чрезвычайно сложизмеряемой лишь отношением двух параметров /U ным для точного рассмотрения в переходной области ( — расщепление одноэлектронных состояний, U — 0 < ( /U) < 1. Предельный случай слабой корреляции эффективная кулоновская энергия двух электронов, свя- (пренебрежимо малого внутриатомного отталкивания) занных с дефектом), через которые можно выразить все U соответствует обычному зонному спектру с одразности энергий. ноэлектронными уровнями.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1196 П. Ермолов, Д. Карманов, А. Лефлат, В. Мананков, М. Меркин, Е. Шабалина Рис. 1. Многоэлектронные состояния мультивакансий в нейтральном зарядовом состоянии Vm. Расстояние dAB калибруется по числу вакансий между атомами Si на конце цепочки вакансий в плоскости (110).

При больших расстояниях между атомами Si(A) /U, где — изменение энергии одноэлектронного и Si(B) U и электрон-электронные взаимодей- состояния под действием заданной дисторсии, то отствия не малы. Предельный случай сильной корреля- сутствие эффектов движения у Si-P3 означает преобции ( /U) 0 означает то, что электроны стремятся ладание мультиплетного расщепления над эффектом уменьшить свою энергию и разместиться на разных Яна–Теллера при больших расстояниях между атомами атомах. Основное состояние получается вырожденным. Si(A) и Si(B). Различие спинов у центров Si-P3 (S = 1) Возбужденные состояния соответствуют спариванию на и Si-P1 (S = 1/2), по-видимому, связано с тем, что той же атомной орбитали и расположены относительно пентавакансии реализуются в кольцевой конфигурации.

+ основного состояния при +U для Vm, Vm и при +2U Пентавакансия имеет 6 неэквивалентных конфигураций, для Vm. Основным состоянием нейтрального зарядо- 5 из которых соответствуют некольцевой конфигурации.

вого состояния Vm является синглет. Спин S = 1 в Одна из них имеет конфигурацию „зигзаг“ с энергией такой системе возникает из триплетного возбужден- диссоциации на 0.05 эВ меньше, чем кольцевая [4].

ного состояния через тепловое возбуждение. Много- Следовательно, нескольких метастабильных конфигураэлектронные состояния нейтральных мультивакансий ций могут сосуществовать. Для вакансии, дивакансии Vm показаны на рис. 1. Там же пунктирной линией и тривакансии существует единственная симметрично показаны ближайшие к середине запрещенной зоны неэквивалентная конфигурация. Тетравакансия имеет че(Ei) уровни кольцевых мультивакансий, полученные тыре неэквивалентные конфигурации, три из которых методами [4] ab initio Хартри–Фока и молекулярно- соответствуют некольцевой конфигурации. Значит, по динамического расчета, основанного на функционале крайней мере две метастабильные конфигурации могут плотности. Как видно из рис. 1, мультивакансии в сосуществовать. Следовательно, наиболее вероятным декольцевой конфигурации не образуют уровней вблизи фектом, образующим уровни вблизи середины запресередины запрещенной зоны. Тонкими линиями пока- щенной зоны и ответственным за предельное положение заны уровни мультивакансий Vm для eff =( + 1)/2. уровня Ферми Ev + 0.39 эВ, может быть тетравакансия Сравнение ЭПР-спектров показывает [18], что отличие в конфигурации „зигзаг“. Многие экспериментальные в спектрах мультивакансий V3 и V5 может возникать данные, как показано далее, могут служить косвениз неэквивалентности атомов Si(A) и Si(B). Отсутствие ным подтверждением этого результата, хотя прямые эффектов движения у центра Si-P3 в интервале темпе- измерения, идентифицирующие уровни вблизи серератур T = 77-300 K [18], по-видимому, также связано с дины запрещенной зоны, пока отсутствуют. Эксперибольшим расстоянием dAB между атомами Si(A) и Si(B). ментально определены только уровни дивакансий, для Если относительную силу эффектов взаимодействия которых предельное положение уровня Ферми есть характеризовать безразмерным отношением параметров Ev + 0.48 эВ.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.