WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 10 Роль азота в формировании люминесцирующих кремниевых нанопреципитатов при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Si © Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, К.С. Журавлев, М.-О. Ruault Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия CSNSM-CNRS / IN2P3, 91405 Orsay, France (Получена 6 февраля 2001 г. Принята к печати 15 марта 2001 г.) В слои SiO2 имплантировали ионы Si+ с энергией 25 кэВ дозами (1-4) · 1016 см-2 и ионы N+ с энергией 13 кэВ дозами (0.2-2) · 1016 см-2. Затем слои отжигались при 900-1100C для формирования люминесцирующих кремниевых нанопреципитатов. По спектрам фотолюминесценции следили за влиянием азота на этот процесс. Обнаружено, что при определенных соотношениях концентраций кремния и азота интенсивность фотолюминесценции заметно растет, а ее максимум смещается в коротковолновую сторону.

Сделан вывод, что благодаря взаимодействию азота с избыточным кремнием увеличивается количество центров преципитации. В конечном итоге это ведет к росту числа нанокристаллов и к уменьшению их средних размеров. Несмотря на введение дополнительных центров преципитации, для образования нанокристаллов по-прежнему требовались минимальные концентрации избыточного Si порядка 1021 см-3 и отжиги при температурах выше 1000C.

1. Введение гацию избыточного Si из SiO2 и рост кремниевых преципитатов. Укажем, что ни в одной из публикаций [14–19] Постоянное уменьшение приборных размеров в ми- нанокристаллы Si (Si-nc) с их характерной интенсивной кроэлектронике и обнаружение интенсивной видимой ФЛ в области длин волн 700 нм получены не люминесценции квантово-размерных кристаллов Si по- были. Поэтому вопрос о влиянии азота на формирование высили интерес к исследованию механизмов формиро- в SiO2 светоизлучающих Si-nc оставался по существу вания и свойств кремниевых нанокристаллов. Одним из открытым. Его изучение явилось целью данной работы.

наиболее перспективных методов их получения является имплантация ионов Si в SiO2 с последующим 2. Методика высокотемпературным отжигом [1–3]. Нанокристаллы образуются в результате распада пересыщенного тверСлои SiO2 толщиной 75 нм готовились на кремнидого раствора Si в SiO2, причем требуемые размеры и евых подложках термическим окислением. Ионы Si+ свойства кристаллитов достигаются в достаточно узких с энергией 25 кэВ внедряли тремя дозами: малой — интервалах пересыщения ( 10 ат %) и температур от1 · 1016 см-2, средней — 2 · 1016 см-2 и большой — жига (900 < Ta < 1200C). Последнее обстоятельство 4 · 1016 см-2. Выбор интервала доз объясняется тем, ограничивает возможности управления свойствами наночто именно внутри него должны обеспечиваться оптикристаллов за счет изменения режима синтеза. В то же мальные концентрации Si для формирования Si-nc. Завремя средства для модификации свойств кремниевых тем в имплантированные кремнием образцы внедрялись наноструктур совершенно необходимы, и поиски здесь ионы N+ с энергией 13 кэВ. Согласно расчетам по ведутся в самых разных направлениях. Исследуются программе TRIM-95 пробеги ионов N+ и Si+ в таком возможности дополнительного введения примесей [4–9], случае одинаковы и составляют 35 нм. Для каждой импульсного отжига [3,10], отжига под давлением [11], дозы Si внедрение ионов N+ также проводилось тремя радиационной обработки [12,13].

дозами: 2 · 1015, 6 · 1015 и 2 · 1016 см-2. Подготовленные Одним из возможных путей управления свойствами таким образом образцы отжигались в атмосфере азота синтезируемых наноструктур является введение в пепри температурах Ta = 900, 1000 и 1100C по 30 мин.

ресыщенные твердые растворы элементов, способных После отжигов образцы изучались методом ФЛ при повлиять на кинетику распада. Известно, например, что температуре T = 20C и возбуждении импульсным преципитация существенно облегчается при введении (длительность импульса 7нс) лазерным излучением дополнительных зародышей. Ранее отмечалось, что на с = 337 нм. В качестве контрольных использовались распад пересыщенного раствора Si в SiO2 заметное образцы, имплантированные только ионами Si+ с энергивлияние оказывает присутствие азота [14–19]. В част- ей 25 кэВ, дозами (3-5) · 1016 см-2. Спектры ФЛ норминости, согласно [14–17] азот способствует формирова- ровались на чувстивтельность спектрометра, а масштабы нию центров фотолюминесценции (ФЛ) в области длин вертикальных шкал на приводимых далее рисунках дают волн = 300-600 нм. С другой стороны, в рабо- представление об изменениях интенсивностей излучения тах [14,15,18,19] считалось, что азот сдерживает сегре- на разных стадиях отжига.

5 1236 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, К.С. Журавлев, М.-О. Ruault Рис. 1. Спектры фотолюминесценции слоев SiO2 после имплантации ионов Si+ и N+ и отжига при Ta = 900C. Доза ионов N+, 1016 см-2: a —0.2, b — 2; доза ионов Si+, 1016 см-2: 1 —2, 2 —4.

3. Результаты экспериментов с максимумом вблизи = 800 нм, обусловленной Si-nc, близка к своему наибольшему достигаемому значению в Первоначальный отжиг в режиме 900C/ 30мин всех контрольных образцах.

исследованных образцов оказался недостаточным для На рис. 3 представлены результаты отжига образцов получения полосы интенсивной ФЛ, присущей Si-nc.

при Ta = 1100C. Отжиг приводил, как отмечено выше, После малой дозы Si+ сигнал был сопоставим с шумами.

к значительному усилению ФЛ с образованием интенНа рис. 1 показаны спектры ФЛ, наблюдавшейся в сивной длинноволновой полосы, свидетельствующей о образцах, имплантированных средней и большой дозами массовом формировании Si-nc. Сразу отметим два Si+. Слабая ФЛ наблюдалась во всем видимом спектре момента. Во-первых, оптимальная доза Si+ действительбез особо выраженных пиков. Дополнительное введение но находится внутри выбранного дозового интервала азота влияет на ФЛ двояким образом. В образцах с и примерно соответствует 2 · 1016 см-2. Во-вторых, высоким содержанием Si повышение концентрации азота с уменьшением дозы Si+ максимум ФЛ смещается в приводит к усилению ФЛ, преимущественно в длиннокоротковолновую область, указывая на уменьшение средволновой области. Если образцы были имплантированы них размеров Si-nc. Что касается влияния азота, то средней дозой ионов Si+, то рост концентрации азота после дозы 5 · 1015 см-2 его присутствие в слоях с ослаблял ФЛ, причем в основном именно ее длинноволбольшим избытком Si усиливало ФЛ по сравнению с ФЛ новую часть. В области длин волн вблизи = 550 нм контрольных образцов (рис. 3, a). Однако дальнейший можно заметить признаки появления новой широкой рост концентрации азота ведет к быстрому ослаблению полосы излучения.

длинноволновой полосы в образцах, имплантированных После отжига в режиме 1000C / 30 мин введение средней дозой Si+, а для малой дозы кремния — к азота вначале заметно усиливало ФЛ по сравнению полному ее гашению (рис. 3, b, c). Только в случае с образцами, имплантированными только ионами Si+ имплантации большой дозы Si+ интенсивность ФЛ все(рис. 2). Усиление наблюдалось главным образом на гда была выше, чем в контрольных образцах, хотя и длинах волн > 700 нм, что характерно для излуснижалась с ростом дозы N+. Отметим, что уменьчения Si-nc. Однако увеличение дозы ионов азота шение интенсивности ФЛ сопровождалось смещением с 2 · 1015 до 2 · 1016 см-2 подавляло это свечение и ее максимума в коротковолновую область (от приводило к формированию широкой слабой полосы к 720 нм — рис. 3, a, b, c).

с максимумом между = 650 и 700 нм. Отметим также, что отжиг при Ta = 1000C оказался все еще недостаточным для полной активации длинноволновой 4. Обсуждение результатов ФЛ, связываемой с излучением Si-nc. Это видно из приведенного для сравнения спектра контрольного (без Полученные результаты по влиянию азота на формиазота) образца, отожженного при более высокой темпе- рование центров ФЛ в пересыщенном кремнием SiOратуре — 1100C (рис. 2). Здесь интенсивность полосы можно интерпретировать следующим образом. Во всех Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Роль азота в формировании люминесцирующих кремниевых нанопреципитатов при отжиге слоев... са ФЛ соответственно гаснет. Тот факт, что с ростом концентрации азота наблюдается сдвиг максимума ФЛ в коротковолновую сторону, можно рассматривать как свидетельство понижения средних размеров Si-nc.

Данные по отжигу при Ta = 900 и 1000C также согласуются с предложенным объяснением роли азота.

Увеличение концентрации азота приводит после отжига при Ta = 900C к ослаблению длинноволновой ФЛ и появлению полосы вблизи 550 нм (рис. 1). Подобный эффект наблюдается и после отжига при Ta = 1000C, только полоса ФЛ, стимулированная введением азота, становится более интенсивной, и ее максимум смещается к = 650-700 нм (рис. 2). Относительно слабое желто-оранжевое свечение наблюдалось ранее многими исследователями в недостаточно отожженных образцах и объяснялось обычно ФЛ некристаллических кремниевых преципитатов. Гашение полосы ФЛ с максимумом при 800 нм и появление желто-оранжевого свечения при повышении дозы N+ (рис. 2) объясняются тем, что вызванное азотом увеличение числа зародышей в конце концов приводит к росту преимущественно некристаллических выделений Si из-за уменьшения размеров преципитатов. Очевидно, что с ростом температуры отжига от 900 до 1000C увеличиваются и размеры светоизлучающих нанопреципитатов, и их число, чем и объясняются различия в спектрах на рис. 1 и 2.

Необходимо также обсудить механизм влияния азота на распад раствора Si–SiO2. Согласно [18], связи Рис. 2. Спектры фотолюминесценции слоев SiO2 после Si–N достаточно прочны, т. е. они могут при нагреве имплантации ионов Si+ и N+ и отжига при Ta = 1000C. Доза служить центрами образования кремниевых зародышей.

ионов Si+ —4 · 1016 см-2; доза ионов N+, 1016 см-2: 1 —0.2, Концентрации атомов азота составляли в наших опы2 — 2. Линии — спектры фотолюминесценции контрольных тах 1021 см-3, что много больше обычно наблюдаеобразцов (без азота) после отжигов при Ta = 1000 (штриховая) мых экспериментально концентраций 1018 см-3 Si-nc.

и 1100C (сплошная).

При температуре 1100C диффузионная длина атомов Si в SiO2 достигает 4нм [21]. Если бы формирование Si-nc шло просто по механизму диффузионнолимитируемого роста, то было бы трудно ожидать наслучаях азот способствует росту числа преципитатов с блюдавшегося резкого падения ФЛ при снижении дозы соответствующим неизбежным уменьшением их средних Si всего вдвое (от средней до малой, рис. 3). Тем размеров. Если уровень пересыщения кремнием был не менее и в присутствии N, и без него концентравелик, то при возросшем числе преципитатов их разция Si на уровне 1021 см-3 оказывается нижним меры остаются достаточными для формирования Si-nc пределом, когда образование кристаллов при отжиге после отжига при Ta = 1100C. В итоге ФЛ Si-nc еще возможно. По-видимому, критическим фактором для возрастает (рис. 3). Предварительные эксперименты образования Si-nc остается возможность прямого взаипо измерению времени затухания ФЛ показали, что модействия ближайших атомов кремния между собой, оно примерно одинаково в контрольных образцах и в когда среднее расстояние между атомами Si сокращается образцах с азотом, достигая сотен микросекунд. Это до 1нм [22], что и реализуется при концентраможет служить аргументом в пользу объяснения роста циях Si 1021 см-3. Роль азота сводится, благодаинтенсивности ФЛ именно увеличением числа Si-nc, а ря взаимодействию Si–N, к образованию повышенной не повышением темпа излучательной рекомбинации (наконцентрации конкурирующих между собой устойчивых пример, из-за легирования). Если избыточного Si мало, центров преципитации. В случае большого пересыщето обусловленный введением N рост числа зародышей ния кремнием это увеличивает число Si-nc, предотвраприводит к снижению средних размеров преципитатов щает их слияние и ведет к росту ФЛ. Однако при до уровня неустойчивости кремниевой кристаллической решетки. Согласно [20], наименьшие размеры устойчи- понижении пересыщения вызванный азотом рост ФЛ вых кристаллитов Si лежат в области 2–3 нм. В по- Si-nc сменяется спадом, обусловленным нехваткой Si добной ситуации даже высокотемпературные отжиги не для достижения преципитатами критических размеров их приводят к появлению Si-nc, и длинноволновая поло- кристаллизации.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1238 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, К.С. Журавлев, М.-О. Ruault Рис. 3. Спектры фотолюминесценции слоев SiO2 после имплантации ионов Si+ и N+ и отжига при Ta = 1100C. Доза ионов N+, 1016 см-2: a —0.2, b —0.6, c — 2. Доза ионов Si+, 1016 см-2: 1 —1, 2 —2, 3 – 4. Штриховая линия — уровень интенсивности фотолюминесценции контрольного образца (без азота).

Отметим в заключение, что с введением N явно Si-nc по-прежнему оказались необходимы концентрации обозначились признаки гетерогенного распада твердого Si более 1021 см-3 и температуры отжига выше 1000C.

раствора Si в SiO2. Кроме того, максимальная концен- Условием образования Si-nc при отжиге слоев с внедрентрация атомов азота в SiO2 достигала у нас 10 ат %. ным N является уровень пересыщения кремнием, обесТем не менее и в этих условиях не изменились дозовый печивающий достижение выделениями размеров, при интервал образования нанопреципитатов Si, характерная которых кристаллическая решетка устойчива.

температура их кристаллизации ( 1000C) и типичный Авторы признательны Н.Х. Талипову и А.М. Гилинскоспектральный диапазон излучения Si-nc. Сохранялось му за помощь при проведении исследований.

высокое время жизни возбужденных носителей. Во многих работах подчеркивалась также важная роль совер- Работа выполнена при поддержке грантом РФФИ шенства границы Si–SiO2 для наблюдения ФЛ. Если № 00-02-17963 и Межотраслевой научно-технической учесть, что даже одной оборванной связи в нанокри- программой ”Физика твердотельных наноструктур”.

сталле, содержащем 103-104 атомов, достаточно для гашения ФЛ [12,23], то можно придти к выводу, что в Список литературы присутствии азота границы Si-nc–диэлектрик оставались вполне совершенными.

[1] T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K. Saitoh. Appl. Phys. Lett., 65, 1814 (1994).

[2] P. Mutti, G. Gkislotti, S. Bertori, G.F. Cerofolini, L. Meda, 5. Заключение E. Grilli, M. Guzza. Appl. Phys. Lett., 66, 851 (1995).

[3] G.A. Kachurin, I.E. Tyschenko, K.S. Zhuravlev, N.A. PazdniПри распаде пересыщенного твердого раствора Si в kov, V.A. Volodin, A.K. Gutakovskii, A.F. Leier, W. Skorupa, SiO2 атомы N оказывают существенное влияние на форR. Yankov. Semiconductors, 31, 626 (1997).

мирование люминесцирующих нанопреципитатов. На[4] M. Fujii, A. Mimura, S. Hayashi, K. Yamamoto, C. Urakawa, блюдающиеся после отжигов изменения интенсивноH. Ohta. J. Appl. Phys., 87, 855 (2000).

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.