WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 11 Примесное оптическое поглощение и структура зоны проводимости в 6H-SiC © И.С. Горбань, А.П. Крохмаль¶ Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, 01033 Киев, Украина (Получена 27 февраля 2001 г. Принята к печати 2 апреля 2001 г.) В кристаллах 6H-SiC n-типа проводимости, легированных азотом, исследованы спектры поглощения для ориентаций электрического поля световой волны (E) относительно оптической оси (C) E C и E C от ближней инфракрасной области до фундаментальной полосы. Впервые при E C исследована слабая полоса поглощения с максимумом при 2.85 эВ. Все наблюдаемые полосы поглощения обусловлены фотоионизацией доноров (азота) с переходом электронов в вышележащие минимумы зоны проводимости, расположенные в разных критических точках зоны Бриллюэна. На основании анализа полученных новых данных, а также известных экспериментальных данных по фотоионизации азота и имеющихся теоретических данных по структуре зоны проводимости для 6H-SiC предложено расположение и симметрия дополнительных экстремумов зоны проводимости в зоне Бриллюэна.

1. Введение ческого поля световой волны E не только относительно оптической оси C, совпадающей с главной кристалДля полупроводниковой электроники и оптоэлектро- лофизической осью C6 (осью Z), но и относительно ники, работающей в экстремальных условиях и режимах, кристаллофизических осей X и Y. Следует отметить, карбид кремния находит все большее применение [1,2].

что ранее в 6H-SiC в поляризации E C интенсивно Однако, несмотря на достигнутые определенные успехи в исследовались главным образом очень сильная дублеттехнологии, а также в исследовании электрофизических ная инфракрасная (ИК) полоса [16,20–27] с энергией и оптических свойств 6H-SiC — одного из наиболее максимумов 1.39 эВ при азотных температурах, а также распространенных политипов карбида кремния — энер- в поляризации E C значительно менее интенсивные гетическая структура его электронных зон, особенно и более широкие полосы 2 эВ [15,20,26–28] и 3 эВ [29].

зоны проводимости, остается недостаточно изученной.

Более слабые полосы, обусловленные фотоионизацией В последнее время большинство исследователей на- азота с переходом электронов в другие высоколежащие ходят, что абсолютный минимум зоны проводимости минимумы зоны проводимости, не исследовались. Это в 6H-SiC локализован не в точке M [3-7], а на ли- ограничивает набор экспериментальных данных об энернии M-L в точке U зоны Бриллюэна [8], образуя гетическом положении и параметрах дополнительных двухдолинный минимум, при этом точка M является краев зоны проводимости.

седловидной [9–13]. Относительно других, более высоко расположенных, экстремумов зоны проводимости или 2. Результаты эксперимента дополнительных краев зон наиболее надежно известно (для некоторых из них) только энергетическое положеМы исследовали спектры коэффициента поглощение [14–16]. Локализация дополнительных экстремуния легированных в процессе роста азотом кристалмов зоны проводимости в k-пространстве приведена в лов 6H-SiC n-типа проводимости в широкой спектральтеоретических работах [7,10], а их симметрия указана ной области (от ближней ИК до фундаментальной полотолько в точках, M и K зоны Бриллюэна [10], причем сы) в поляризациях E C и E C. В последнем случае различные теоретические подходы дают сильный разброс вектор электрического поля световой волны E был ориих энергетических положений. Это затрудняет иденентирован параллельно кристаллофизическим осям X тификацию главных особенностей зоны проводимости, и Y, или направлениям 2110 и 0110. Иссследуепроявляющихся в спектрах собственного поглощения, мые образцы представляли собой монокристаллические отражения, а также электроотражения [14,17–19].

пластинки (параллелепипеды), ориентированные по криВ настоящей работе для анализа энергетической струксталлофизическим осям X, Y и Z, однородно легировантуры зоны проводимости в 6H-SiC использованы проные по объему с концентрацией электронов n = ND - NA явления ее особенностей в спектрах примесного оптиот 2.9 · 1017 до 6.1 · 1018 см-3 и свободные от поческого поглощения, обусловленного фотоионизацией литипных гетероструктур. Для измерения поглощения азота (основной донорной примеси в SiC) с переходом в ближней ИК области при E C от исследуемых электронов в вышележащие минимумы зоны проводимообразцов (с разной концентрацией нейтрального азота) сти. Указанный подход требует наиболее полного знания отрезались тонкие пластинки толщиной от 50 до 150 мкм.

спектров поглощения при поляризации вектора электриВ остальных случаях толщина образцов в направлении ¶ E-mail: krokhmal@mail.univ.kiev.ua проходящего света составляла от 0.4 до 4 мм. Исследо2 1300 И.С. Горбань, А.П. Крохмаль дублетной ИК полосы [16,20–27,30] в спектре поглощения всех исследуемых кристаллов мы, по-видимому, впервые исследуем очень слабую полосу с максимумом при энергии фотонов = 2.85 эВ [20,31] и полушириной 0.10 эВ. Коэффициент поглощения в максимуме этой полосы в 150 раз меньше, чем в максимуме полосы 1.39 эВ, и увеличивается пропорционально росту n = ND - NA в образцах, как это имеет место для полос = 1.39 и 2.02 эВ [26].

На рис. 2 для 8 образцов с различным уровнем легирования азотом показана связь коэффициента поглощения в максимуме полосы 2.85 эВ с коэффициентами поглощения как в полосе 1.39 эВ, так и в полосах при поляризации E C с максимумами при 2.02 эВ [15,20,26–28] и 2.98 эВ [29]. Она оказалась линейной. Это дает основание считать, что полосы с максимумами 1.39, Рис. 1. Спектры поглощения кристаллов n-6H-SiC для двух поляризаций. 1, 2 — спектры кристаллов n-типа проводи- 2.02, 2.85 и 2.98 эВ имеют единую химическую примости, специально не легированных акцепторной примесью. роду, т. е. обусловлены азотом. Здесь нужно отметить, (3–5) — спектры кристаллов n-типа проводимости, специаль- что ИК полоса обусловлена прямыми разрешенными но легированных алюминием. (1–4) — T = 77 K: 1, 3 — E C;

в дипольном приближении переходами электронов из 2, 4 — E C. 5 — T = 295 K, E C.

трех неэквивалентных нейтральных h- и 2k-доноров с гексагональной и кубической координацией ближайшего окружения соответственно в вышерасположенный в точке M минимум зоны проводимости [16,27,30]. При низких температурах и указанных концентрациях нейтрального азота рассматриваемые переходы осуществляются только из 1s(A1)-состояний, отщепленных орбитальнодолинным взаимодействием [27]. Суммарная сила осциллятора для этих переходов составляет 0.72 [26]. Полуширина полосы при = 2.85 эВ несколько меньше дублетной ИК полосы ( 0.17 эВ). Можно полагать что эта полоса также обусловлена фотоионизацией азота в h- и 2k-положениях, но в более высоко расположенный минимум зоны проводимости, лежащий тоже в точке M и с параметрами, не сильно отличающимися от параметров минимума [16,30], ответственного за ИК полосу. В таком случае эта полоса должна по форме напоминать ИК полосу, т. е. быть дублетной и иметь аналогичное [22–27] температурное перераспределение компонент. В экспериментах этого не наблюдается. Сила осциллятора для обсуждаемых переходов в полосе = 2.85 эВ, опреРис. 2. Корреляция коэффициента поглощения в максимуме деленная нами, составляет (1.75 ± 0.07) · 10-3. Это полосы 2.85 эВ для кристаллов с различным уровнем легинаводит на мысль, что полоса обусловлена запрещенрования азотом с коэффициентами поглощения в максимумах ными в дипольном приближении переходами. Если дополос 1.39, 2.02 и 2.98 эВ.

пустить, что полоса = 2.85 эВ, как и ИК полоса, состит из двух компонент, максимумы которых отстоят на 60 мэВ [27,30] и которые в силу запрещенных перевания проводились при температурах T = 4.5, 77 и 295 K ходов имеют примерно равную интенсивность, то раздес помощью нестандартного дифракционного монохромалить компоненты можно только в том случае, если самые тора с обратной линейной дисперсией 3 нм / мм и момелкие h-доноры окажутся полностью компенсировандернизированного дифракционного спектрометра на базе ными. В нашем распоряжении были такие кристаллы, ДФС-8-2 с обратной линейной дисперсией 0.3 нм / мм.

специально легированные в процесе роста как азотом, На рис. 1 (кривые 1, 2) показаны типичные спектры так и алюминием — мелким акцептором в SiC. На рис. поглощения кристаллов 6H-SiC n-типа проводимости для кривой 3 показан спектр поглощения одного из таких двух поляризаций E C и E C при T = 77 K.

кристаллов 6H-SiC. Достаточное количество акцепторов Понижение температуры кристаллов до 4.5 K практи- привело к полной компенсации мелких h-доноров (азота) h чески не влияет на спектр поглощения. В поляриза- с энергией ионизации ED = 0.081 эВ [23,31,32] (по h ции E C кроме хорошо известной очень сильной данным [5,33] ED = 0.101 эВ) и, как следствие, к исчезноФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Примесное оптическое поглощение и структура зоны проводимости в 6H-SiC вению при T 80 K в ИК полосе h-компоненты 1.33 эВ. уширенное длинноволновое крыло. Из спектра видно, Однако при T = 295 K в ИК полосе присутствуют что широкая полоса с максимумом при = 2.02 эВ обе компоненты (кривая 5), но только с противопо- частично перекрывается с более интенсивной и широкой ложным соотношением интенсивностей, чем для ”обыч- прикраевой полосой с максимумом при = 2.98 эВ, а ных” (специально не легированных акцепторами) кри- также с коротковолновым хвостом полосы поглощения, сталлов [16,22–27]. Следует отметить, что отсутствие обусловленной фотоионизацией азота с переходом элекв ИК полосе компоненты = 1.33 эВ в спектре тронов в абсолютный минимум зоны проводимости [37].

компенсированного кристалла еще раз убедительно до- Это частичное перекрытие широких полос и обусловливает общий фон поглощения. Более того, достаточно казывает: эта компонента обусловлена фотоионизацией азота, занимающего именно h-положение, а компонен- резкий изгиб кривой поглощения при = 1.37 эВ (с небольшим перегибом при 1.49 эВ), по всей видимости, та 1.39 эВ — фотоионизацией азота в 2k-положениях.

Вклад в компоненту = 1.33 эВ в компенсирован- указывает на присутствие в этой спектральной области, как минимум, еще одной более широкой и слабой полосы ных кристаллах при T = 295 K дают исключительно поглощения (возможно, с максимумом при 1.9эВ), переходы из возбужденных 1s(E)-состояний доноров которая искажает форму низкоэнергетического крыла в 2k-положениях, которые практических совпадают по энергии с 1s(A1)-состоянием в h-положении. Необхо- полосы 2.02 эВ.

Полоса 2.02 эВ обусловлена также фотоионизацией димо отметить, что низкоэнергетическая компонента в трех неэквивалентных h- и 2k-доноров азота при переИК полосе при = 1.25 эВ, наблюдавшаяся ранее ходе электронов в вышележащий минимум зоны пропри комнатных температурах в сильно легированных водимости с параметрами [15], сильно отличающимися азотом кристаллах 6H-SiC с концентрацией электронов от параметров минимума, ответственного за ИК полосу n > 1 · 1019 см-3 [20,21], не связана с двухдолинпри E C [16,30]. Поэтому полоса = 2.02 эВ ной (camel’s back) структурой абсолютного минимума должна состоять из двух широких компонент и выглядеть зоны проводимости, как считают в [34],1 а вызвана бесструктурной. В кристаллах n-6H-SiC, сильно компензона-зонными переходами [20,24].

сированных алюминием, из-за отсутствия h-компоненты Полоса = 2.85 эВ в компенсированных кристалмаксимум полосы смещен при T = 77 K на 35 мэВ лах наблюдается на более крутом прикраевом склоне, обусловленном, по-видимому, фотонейтрализацией ионизованных акцепторов с переходом электронов в зону проводимости, и смещена примерно на 30 мэВ в высокоэнергетическую сторону (кривая 3). Если вычесть этот фон, то максимум исследуемой полосы, вопреки ожиданиям, практически не смещается. Это определенно указывает на отсутствие вклада h-компоненты в полосу 2.85 эВ как в компенсированных, так и в обычных кристаллах n-6H-SiC.

На рис. 1 (кривая 2) показан типичный для поляризации E C спектр поглощения кристаллов 6H-SiC с n (1-4) · 1018 см-3 при температуре T = 77 K.

Следует отметить, что ранее полосы поглощения при = 2.02 эВ [15,26,27] и = 2.98 эВ [29] исследовались раздельно и в ограниченных спектральных интервалах. Вследствие этого оказались упущенными из вида некоторые особенности этого спектра. Так, ранее указывалось (например [15,26]), что полоса 2.02 эВ наблюдается на фоне неизвестного происхождения и имеет Расчеты дают высоту барьера между двумя симметричными долинами в U-точках и ”седлом” в M-точке от 3.8 до 5.7 мэВ [35,10,12,13], который при уровне легирования донорами 5 · 1019 см-3 уменьшается до 1.3 мэВ [36]. В [20] исследованы спектры поглощения кристаллов 6H-SiC n-типа проводимости с концентрацией свободных носителей заряда именно такого порядка. Эти спектры [20] недавно интерпретированы в [34] с учетом двухдолинной структуры зоны проводимости. Столь малая энергетическая разность не может быть обнаружена в спектрах поглощения в виде весьма широкой полосы ( 0.17 эВ). Даже в экспериментах по гидростатическому Рис. 3. Спектры поглощения выделенной прикраевой полосы сжатию кристаллов 6H-SiC при T = 29 K и исследовании очень узких поглощения при E C. 1, 3 — E Y ; 2, 4 — E X. T, K:

PRS-линий фотолюминесценции экситонов, связанных на нейтральных 1, 2 — 77; 3, 4 — 295. Кривые 1, 2 смещены по шкале ординат донорах (азот), не обнаружено доказательств двухдолинной структуры минимума зоны проводимости [35]. вверх на 10 см-1.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1302 И.С. Горбань, А.П. Крохмаль в сторону более высоких энергий относительно обычно (боровский радиус aB 20-50 ), когда kaB наблюдаемой полосы 2.02 эВ (рис. 1, кривая 4). Это ука- (здесь k — разность волновых векторов между раззывает на наличие вклада h-компоненты в обсуждаемую личными минимумами в зоне проводимости) — это полосу в обычных кристаллах n-типа проводимости. является хорошим приближением [40,41]. Для центров На рис. 3 показана прикраевая примесная полоса с малого радиуса (боровский радиус aB порядка постомаксимумом при = 2.98 эВ. Она выделена методом янной решетки, т. е. kaB 1) вклад в волновую вычитания из кривой поглощения кристалла n-типа про- функцию (r) будут давать слагаемые и от других водимости собственного поглощения в кристалле p-типа минимумов зоны проводимости. Так как для центров мапри 77 и 295 K для двух поляризаций E X и E Y. лого радиуса область локализации примесной волновой Полоса 2.98 эВ оказалась неэлементарной и состоящей, функции в k-пространстве велика, переходы электронов с как минимум, из трех компонент. Полуширина полосы таких донорных центров могут осуществляться также и в составляет 0.37 эВ. При E Y отчетливо виден минимумы зоны проводимости, расположенные в других перегиб вблизи 2.92 эВ, который наблюдается и в невыде- точках зоны Бриллюэна.

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.