WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Прыжковая поляризационная фотопроводимость кремния с участием пар примесей III и V групп ¶ © Я.Е. Покровский, Н.А. Хвальковский Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 125009 Москва, Россия (Получена 11 февраля 2003 г. Принята к печати 3 марта 2003 г.) В кремнии, легированном примесями B, Al, Ga, In, P, As, Sb в концентрациях 1016-1018 см-3, при низких температурах исследованы длинноволновые полосы поглощения парами примесей и фотопроводимость в микроволновом (8мм) электрическом поле при примесном импульсном фотовозбуждении. Установлена корреляция между концентрацией пар и возникновением медленной компоненты релаксации фотопроводимости. Эта компонента связана с поляризационной прыжковой фотопроводимостью, возникающей в результате оптической перезарядки примесных состояний — ионизации изолированных примесей, примесей в парах и диполей (пар ионов основной и компенсирующей примесей). Проанализированы процессы прыжкового переноса заряда ионов в процессе релаксации. Показано, что основной вклад в поляризационную фотопроводимость при относительно небольших концентрациях дают прыжковые переходы в примесных парах, а при возрастании концентраций — прыжки с участием изолированных ионов.

1. Введение превышает перколяционную проводимость. Аналогичная ситуация имеет место и в случае MCW PC. Было предВ работах [1,2] было обнаружено, что в кремнии, леги- положено также, что медленная релаксация MCW PC рованном рядом примесей III и V групп в концентрациях связана с накоплением носителей заряда в долгоживуN > 1016 см-3 и температуре T < 20 K в электрическом щих возбужденных 1s-состояниях примесей с большими микроволновом (MCW — microwaves) поле (8 мм, 36– орбиталями, оптические переходы с которых в основные 40 ГГц), проявляется медленная компонента примесного состояния 1s запрещены в дипольном приближении. Это фотоответа UMCW [3]. Время релаксации, оцененное по подтверждалось тем, что в кремнии, легированном Bi и зависимости величины фотоответа UMCW от частоты Ga при N < 3 · 1016 см-3, медленная релаксация UMCW периодической модуляции возбуждающего излучения f не проявлялась [1,2]. Примеси Bi, Ga и Al имеют высо(100 Гц–10 МГц), оказалось порядка 10-5 с при 5 K. кие возбужденные состояния, энергии которых близки к Время релаксации фотоответа в постоянном электри- энергиям оптических фононов в кремнии [6]. Поэтому ческом поле UDC для примесей B, In и As при 30 K захваченный носитель заряда из этих более высоких не превышало 10-7 с даже в слабо компенсированных состояний может быстро релаксировать в основное образцах кремния. Оно уменьшалось на 2-3 порядка состояние, минуя возбужденные 1s-состояния.

при понижении температуры и увеличении степени Модель MCW поляризационной PC с участием долгокомпенсации. Такие же времена релаксации фотоответа живущих возбужденных состояний примесей, развитая UMCW и зависимости от температуры и компенсации в [7], согласуется с рядом экспериментальных результатов [8]. Однако некоторые эксперименты принципиально были установлены при f > 1 МГц, т. е. в обоих случаях противоречат предложенной интерпретации. Так, уменьпроцесс определялся каскадным захватом свободных шение интенсивности возбуждения приводит к увеличеносителей заряда на ионизованные примесные атомы [4].

При 5 K отношение MCW ответов при квазистацио- нию времени релаксации UMCW от 10 мкс, измеренного в работах [1,2], до 500 мкс — в [8]. Столь сильное влияние нарном ( f 1000 Гц) и высокочастотном ( f > 1МГц) условий возбуждения на внутрицентровую релаксацию возбуждении достигало почти 3 порядков [2]. Таким не нашло объяснения. Далее, было установлено, что образом, медленная релаксация примесного фотоответа в кремнии, легированном Ga и Al, также проявляется в легированном кремнии преобладала лишь в MCW медленная релаксация UMCW, если N > 5 · 1016 см-3.

электрическом поле. Отсюда следовало, что это явлеНаконец, оценки вероятности переходов с эмиссией ние связано с прыжковой фотопроводимостью (PC — акустического фонона [4] показали, что времена жизни photoconductivity). Здесь имеется полная аналогия с возбужденных 1s-состояний в кремнии не превышают работой [5], в которой исследована прыжковая проводи10-10 с. По этим причинам мы предлагаем новый подход мость легированного кремния в переменном электричек проблеме прыжковой поляризационной фотопроводиском поле. Прыжки носителей заряда между нейтральмости легированного кремния [9].

ными и ионизованными примесями, индуцированные переменным полем, приводят к изменению расстояний между ионами основной и компенсирующей примесей, 2. Пары примесей т. е. к изменению дипольных моментов. Сама же проводимость является поляризационной и даже при низких Подход основан на учете роли пар примесей при частотах (до 1.6 · 104 Гц [5]) на несколько порядков прыжковых переходах в MCW электрическом поле.

¶ E-mail: yaep@mail.cplire.ru В отличие от быстро диффундирующих примесей (Li, 1306 Я.Е. Покровский, Н.А. Хвальковский жители, зависящие от E/2kT. Это не должно влиять на последующие оценки, поскольку крупномасштабные флуктуации потенциала в легированном кремнии не могут вызвать значительного изменения энергии E при прыжках на малые расстояния в парах. Видно, что основной вклад в прыжковую MCW проводимость также дают пары примесей, локализованные в области r/a =(2-5).

Оценим концентрацию таких пар. Вероятность того, что примесь не имеет соседей на расстоянии меньше r0, есть exp(-r0/rav)3, rav =[(4/3)N]-1/3 — среднее расстояние между примесями [12]. Отсюда концентрация примесей N2, имеющих единственную соседнюю примесь на расстояниях, меньших r0, есть N2 = N[1 - exp(-r0/rav)3] =N[1 - exp(-v0N)], (1) где v0 =(4/3)r3. При v0N 1, N2 v0N2. Такие квадратичные зависимости, характерные для концентрации пар с пониженной энергией ионизации, были обнаружеРис. 1. Одноэлектронные термы молекулы водорода. Разны в кремнии для примеси In [13] по температурной ности между сплошными и штриховыми линиями соответзависимости постоянной Холла и для примеси P [14] по ствуют уменьшению энергий ионизации и возбуждения E зависимости коэффициентов поглощения k в полосах, относительно изолированных атомов (r/a = 8). Пунктирная смещенных в области меньших энергий относительно кривая — вклад электронных переходов между нейтральным узких пиков возбуждения изолированных примесных и ионизованным атомами в проводимость, вызванный MCW атомов. Аналогичные квадратичные зависимости k от электрическим полем (8мм) [5].

N были установлены для ряда других примесей III и V групп [15]. Широкие спектры поглощения этих полос (рис. 2) являются суперпозицией вклада пар при доноры VI группы), образующих ближние пары, примеразличных расстояниях между примесями. Структура си III и V групп распределены в узлах кристаллической полос различна как для разных примесей, так и для решетки кремния случайным образом. В последнем переходов в различные возбужденные состояния, но не случае нет четкой границы между парами и изолирозависит от концентрации примесей N.

ванными примесями. Однако можно выделить группу Для сопоставления данных, полученных в [15], с вырапримесей, которая может играть основную роль в прыжжением (1) в спектрах на рис. 2 штриховкой выделены ковой поляризационной фотопроводимости. Поясним сиобласти, интегральное поглощение в которых соответтуацию, исходя из простейшего аналога — системы ствует концентрациям N2 примесей, локализованных из двух протонов и двух электронов. Эта известная на расстояниях не более r0 = 5a. При этом боровкартина одноэлектронных термов молекулы водорода ские радиусы примесей a приняты равными e2/2Ei представлена на рис. 1 [10]. Здесь разности энергий ( = 12 диэлектрическая проницаемость, Ei —энергия между штриховыми и сплошными линиями соответионизации). Ширина областей определена из отношествуют уменьшению энергий ионизации и возбуждения ния их площадей к площадям узких пиков поглощеэлектрона в 2s-состояние по сравнению с энергиями ния при переходах в аналогичные возбужденные содля удаленных протонов. Видно, что области заметного стояния тех же примесей с известными невысокими уменьшения этих энергий соответствуют относительным (N < 1015 см-3) концентрациями. В таком выделении обрасстояниям между протонами r/a =(2-5), где a — ластей есть некоторый произвол из-за перекрытия полос боровский радиус. При этом как энергия нейтральной, при переходах в различные возбужденные состояния, так и ионизованной „молекулы“ ниже, чем у изолиоднако для качественных оценок это несущественно.

рованных атома и иона водорода. Этот кажущийся Зависимости концентрации примесей в парах (N2) от парадокс связан с тем, что такая система не является концентрации легирующих примесей (N), полученные одноэлектронной. Аналогичная ситуация должна иметь на основании (1), [15] и рис. 2, приведены на рис. 3.

место и в случае примесных пар в кристаллах [11], но Там же для примеси In приведена зависимость Nв иных масштабах расстояний и энергий, зависящих от от N из работы [13] и значения N2, оцененные по величины боровских радиусов примесей a.

спектру фотопроводимости [13] и по спектру поглоНа рис. 1 приведена также зависимость вклада прыж- щения [16]. Видно, что значения N2, определенные ков носителей заряда в поляризационную проводимость из различных экспериментов, согласуются. Сплошные dMCW/d(r/a) от r/a, рассчитанная для MCW электри- линии соответствуют (1) для примеси B (a = 1.3нм) ческого поля (8мм) при случайном распределении при- и In (a = 0.38 нм). Длинноволновое поглощение намесей [5]. При расчете опущены активационные сомно- чинает проявляться при Nv0 > 10-2. Таким образом, Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Прыжковая поляризационная фотопроводимость кремния с участием пар примесей III и V групп Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициентов поглощения k кремния, легированного примесями в концентрациях N (1016 см-3): 1 —B (7.6), 2 —Al (15), 3 —Ga (16), 4 —In (40, [16]), 5 —As (18), 6 —Sb (2.6); 7 —P (1.5). Температура измерений 4.2 K.

чем сильнее локализация носителей заряда в основном примесями приводит к понижению энергии пар при состоянии примесей, тем при больших концентрациях любых значениях r/a > 1.

регистрируется поглощение парами примесей. Более того, медленная релаксация UMCW возникает в тех же об3. Оптическая перезарядка ластях концентраций различных примесей. Это является примесных состояний важным указанием на участие примесных пар в MCW PC. Заметим, что на рис. 3 значения N2 в двух образцах, и релаксация возбуждения легированных Sb в концентрации N = 2.6 · 1016 см-3, Рассмотрим ситуацию в кремнии n-типа при термодисовпадают. Эти образцы имеют различные концентрации намическом равновесии и низких температурах.

компенсирующих примесей Nc (1.5 · 1015 и 1016 см-3).

П легирующей примеси при N Nc находятся ары Отсюда следует, что компенсация не уменьшает заметно концентрацию нейтральных пар, даже если N2 < Nc. Это преимущественно в нейтральном состоянии. Поскольку согласуется с рис. 1, поскольку взаимодействие между ионы компенсирующей примеси также распределены Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1308 Я.Е. Покровский, Н.А. Хвальковский n ISN/Nc, где S — сечение фотоионизации, — коэффициент захвата. В действительности величина n может изменяться в процессе возбуждения, поскольку коэффициенты захвата носителей на ионы и диполи различны [4]. Однако это не должно повлиять на последующие качественные заключения и процесс перезарядки можно описать уравнениями dN+-/dt = ISN - nN+-, N+- = Nc - N+ N, (2) + + + dN2 /dt = IS(N2 - N2 ) - nN2, откуда N+ = N/(1 + N/Nc)[1 - exp(-IS(1 + N/Nc)t)], (3) + N2 = N2/(1 + N/Nc)[1 - exp(-IS(1 + N/Nc)t)].

При N Nc амплитуды UMCW, обусловленные оптической перезарядкой как изолированных примесей, так и примесей в парах, пропорциональны Nc. Из соотношений (3) также следует, что если за время t в единице объема произошло более Nc ионизаций (ISNt > Nc), то достигается предельная оптическая перезарядка примесей. Тогда в кристалле установится стационарное неравновесное состояние Рис. 3. Зависимости концентраций примесей в п (N2) арах от концентраций основных примесей (N) в Si, легированном:

N+ Nc; N+- Nc/N Nc;

1 —B, 2 —P, 3 —Sb, 4 —As, 5 —Al, 6 —Ga, 7 —In —по + поглощению [16] и фотопроводимости [13], 8 — In — по N2 N2Nc/N = v0NNc N2, N+. (4) эффекту Холла [13].

Дальнейшее возрастание интенсивности должно приводить лишь к увеличению концентрации свободных носителей, но не к заметному изменению концентраций случайно, их концентрация „внутри“ пар должна быть ионов. Из соотношений (4) видно, что лишь малая равной доля примесей в парах ионизуется при перезарядке, а NcN2v0/2 Nc, N2, + N2 N+. Поэтому вклад в фотоответ UMCW прыжков если Nc, N2 N. Именно по этой причине компенсация электронов с участием изолированных ионов примеси также следует учесть, несмотря на то что вероятность мало влияет на поглощение п примесей. Однако арами ионы легирующей примеси распределены не случайно. прыжков в этом случае существенно меньше, чем в Они локализуются в основном на минимальных рассто- парах.

яниях от компенсирующих ионов, образуя пары другого Релаксация возбуждения возможна за счет прыжковых типа — диполи в концентрации N+-. Так, при условиях переходов носителей заряда между нейтральными и T = 5K, N = 1016 см-3 и Nc = 1014 см-3 концентрация ионизованными примесями. Нейтрализация ионизован не связанных в диполи ионов N+ не превышает 0.1Nc и ной примеси в паре может происходить в результауменьшается при возрастании N и Nc, т. е. N+- Nc [4]. те единственного прыжкового перехода с выделением При низких температурах связанные в диполи ионы не энергии при любых r/a > 1, и ее скорость не должна могут давать вклада в MCW проводимость, поскольку существенно зависеть от температуры. Однако вероятпрыжки электронов с более удаленных примесей на ность присутствия третьей примеси на малом или даже диполи возможны лишь при поглощении энергии. среднем расстоянии должна уменьшаться при уменьшеВозбуждение вызывает случайную ионизацию основ- нии r/a. Поэтому темп релаксации заряда у „ближних“ ной примеси, а захват электронов — оптическую пе- пар должен быть более медленным, чем у „дальних“, резарядку, уменьшающих N+- и увеличивающих N+ и а релаксация величины UMCW — неэкспоненциальной.

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.