WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 12 УДК 621.315.592 Парамагнитные дефекты в -облученных кристаллах карбида кремния © И.В. Ильин¶, Е.Н. Мохов, П.Г. Баранов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 марта 2001 г. Принята к печати 2 апреля 2001 г.) Представлены результаты первых наблюдений парамагнитных дефектов в кристаллах SiC, подвергнутых -облучению. В кристаллах 4H-SiC : Al и 6H-SiC : Al p-типа методом электронного парамагнитного резонанса обнаружено три типа дефектов, обозначенные как 1, 2 и 3. Все центры имеют близкие параметры спинового гамильтониана с S = 1/2 и характеризуются значительной анизотропией g-факторов. Центры 1 почти аксиальны относительно локальной оси z, ориентированной примерно вдоль одного из направлений связи Si–C, не совпадающей с осью c. Центры 2 и 3 имеют более низкую симметрию, хотя направление вдоль указанных связей достаточно сильно выражено. Величина максимального g-фактора gz уменьшается в ряду от 1 до 3. Сигнал 1 может наблюдаться при температурах 3.5-15 K; cигналы 2 и 3 — при температурах 10-35 и 18-50 K соответственно. Для некоторых ориентаций кристалла обнаружено 29 сверхтонкое взаимодействие неспаренного электрона центра 1 с ядрами изотопа Si. Центры 1, 2 и 3 разрушаются при температуре 160C, и сделан вывод, что сигналы ЭПР этих центров принадлежат дефектам, в подрешетке C. Предполагается, что центры 1, 2 и 3 имеют общую природу и принадлежат низкотемпературной (1) и высокотемпературным (2, 3) модификациям одного и того же центра.

Обсуждаются модели дефекта в виде вакансии углерода или комплекса, включающего примесный атом Al и атом C, занимающий кремниевую или межузельную позицию.

1. Введение или протонами. Такое облучение моделирует процесс ионной имплантации при изготовлении электронных В последние годы значительно возрос интерес к карбиприборов. Проблема состоит в том, что в процессе ионду кремния (SiC), что связано с необходимостью созданой имплантации дефекты образуются в очень тонком ния электронных и оптоэлектронных приборов, работаслое у поверхности кристалла (менее 1 мкм) и чувствиющих при высоких температурах, высоких мощностях и тельности традиционного метода ЭПР, как правило, не повышенных уровнях радиации. Большая энергия связи достаточно для регистрации этих дефектов. Насколько Si–C делает SiC устойчивым к высоким температурам, нам известно, нет работ, где бы парамагнитные радиаагрессивным средам и воздействию ионизирующего обционные дефекты были обнаружены в кристаллах SiC, лучения. Так как скорость диффузии большинства приподвергнутых -излучению. В то же время -излучение, месей в SiC мала, основным способом легирования этих будучи наиболее проникающим, является основным исматериалов является ионная имплантация. В процессе точником радиации, воздействующей на различные элекионной имплантации в решетке SiC орбразуются детронные приборы в реальных условиях их применений.

фекты, причем в SiC в отличие от кремния дефекты Известно также, что такое излучение легко создает стабильны при комнатной температуре, а некоторые многочисленные радиационные дефекты в кремнии, что вторичные дефекты сохраняются до температур более является большой проблемой при разработке радиацион2000C. Все это стимулировало проведение многочино стойких электронных приборов. Следует подчеркнуть, сленных работ, посвященных исследованию радиациончто -излучение в отличие от других видов облучения ных дефектов в SiC.

создает дефекты в кристалле равномерно по объему, Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) являчто значительно повышает надежность их исследования, ется наиболее информативным методом исследования так как исключается неравномерность распределения структуры радиационных дефектов в полупроводниках, дефектов по объему кристалла.

что было наиболее ярко продемонстрировано расшиВ настоящей работе впервые наблюдались спектры фровкой структуры основных радиационных дефектов ЭПР радиационных дефектов в -облученных кристалв кремнии в классических работах, выполненных на лах SiC. Дефекты были обнаружены в кристаллах 4H- и протяжении последних 40 лет [1]. История исследований 6H-SiC p-типа, активированных алюминием.

методом ЭПР радиационных дефектов в SiС значительно скромнее, тем не менее структура ряда собственных де2. Методика эксперимента фектов, таких как вакансия кремния или различные типы дивакансий, установлена довольно надежно [2–11]. ВажБыли исследованы кристаллы 4H-SiC и 6H-SiC p-типа, но подчеркнуть, что все эти исследования выполнены активированные алюминием. Использовались кристаллы, в SiC, облученном быстрыми электронами, нейтронами выращенные сублимационным сэндвич-методом при тем¶ E-mail: Ivan.Ilyin@pop.ioffe.rssi.ru пературе 2150C [12] со скоростью роста 0.8 мм / ч. Были 1 1410 И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, П.Г. Баранов исследованы также коммерческие кристаллы 6H-SiC от корпорации Cree. Во всех кристаллах концентрация алюминия составляла примерно 1017 см-3. Все кристаллы были подвергнуты двухнедельному облучению -лучами. Источником -лучей служил изотоп Co, энергия 1.12 МэВ, поток 1013 /см2. Кристаллы 4H-SiC и 6H-SiC в виде пластинок с плоскостью, перпендикулярной гексагональной оси c, были ориентированы для вращения в плоскостях {1120} и {1100}. Эксперименты проводились на серийном спектрометре ЭПР Jeol на частоте 9.2 ГГц с использованием проточного гелиевого криостата, изготовленного в лаборатории и позволяющего изменять температуру в области 4-300 K. Все спектры ЭПР, представленные на рисунках, зарегистрированы без накопления в результате одного сканирования.

3. Экспериментальные результаты До -облучения в исследуемых кристаллах 4H-SiC и 6H-SiC, активированных алюминием, наблюдались сигналы ЭПР от мелких и глубоких уровней акцепторов Рис. 2. Спектры ЭПР, наблюдавшиеся в -облученном криалюминия и мелких — акцепторов бора [13–17].

сталле 4H-SiC при температуре 7 K, зарегистрированные при разных ориентациях кристалла в магнитном поле B, указанных на рисунке. Вращение магнитного поля осуществлялось в плоскости {1120}.

Мелкий уровень Al создается атомом Al в позиции кремния, находящемся в регулярном окружении [13,14], а глубокий уровень Al связан, по нашему мнению, с комплексом Al в узле кремния с вакансией углерода в ближайшем узле вдоль оси c кристалла [14,16,17].

Бор является неконтролируемой примесью и обычно проявляется в спектрах ЭПР в кристаллах SiC p-типа в виде мелкого уровня B, но при больших концентрациях Al порядка 1019 см-3 наблюдаются и сигналы ЭПР от глубокого уровня B [16]. На рис. 1 приведены спектры ЭПР, наблюдавшиеся в кристалле 6H-SiC : Al (Cree) до -облучения и зарегистрированные для нескольких ориентаций кристалла относительно магнитного поля.

В спектрах видны сигналы от мелкого уровня Al, обозначенного как sAl (shallow Al), глубокого уровня Al, обозначенного как dAl (deep Al), и мелкого уровня бора, обозначенного как sB (shallow B). Для ориентаций магнитного поля, близких к оси c ( = 0), при низкой температуре ( 4K) оба сигнала перекрываются, тогда Рис. 1. Спектры электронного парамагнитного резонанса как в ориентации = 35 из-за разных значений (ЭПР) в кристалле 6H-SiC : Al до -облучения, при 4 K, для g-факторов эти сигналы наблюдаются в разных нескольких ориентаций кристалла относительно магнитного магнитных полях. В ориентации = 35 в сигнале поля B в плоскости {1120} (указаны на рисунке). Обозначения dAl может наблюдаться слабо разрешенная сверхтонкая sAl (shallow Al), dAl (deep Al) и sB (shallow B) введены для (СТ) структура, возникающая из-за взаимодействия мелкого уровня Al, глубокого уровня Al и мелкого уровня неспаренного электрона с ядром изотопа Al [14].

B соответственно. Пунктиром показаны спектры ЭПР в криВ исследованных кристаллах сигналы ЭПР от мелкого сталле 4H-SiC : Al, с повышенной концентрацией Al, в котором уровня Al сравнимы или интенсивнее сигналов от сигналы ЭПР от мелкого уровня Al практически не наблюглубокого уровня Al, поэтому на рис. 1 (в ориентациях дались. Вертикальными стрелками показана дополнительная сверхтонкая структура. = 0 и = 35 — пунктирной линией) также Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Парамагнитные дефекты в -облученных кристаллах карбида кремния го электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР) [17], данные которого коррелируют с величиной СТ взаимодействия, наблюдавшегося в спектрах ЭПР.

На рис. 2 показаны спектры ЭПР, наблюдавшиеся в -облученном кристалле 4H-SiC при температуре 7 K, зарегистрированные при разных ориентациях кристалла в магнитном поле. Вращение магнитного поля осуще ствлялось в плоскости кристалла {1120}. Помимо сигналов от мелкого уровня бора (справа), на рис. в ориентации B c видна линия ЭПР, которая при вращении образца в плоскости {1120} расщепляется на четыре линии. Такое расщепление говорит о том, что парамагнитный дефект имеет несколько эквивалентных ориентаций в решетке SiC. Направление локальных осей симметрии центра может быть определено по экстремумам угловой зависимости сигналов ЭПР. На рис. 2 один из таких экстремумов наблюдается при угле магнитного поля относительно оси c кристалла, близком к = 70.

В SiC угол = 70 соответствует углу между c-осью и направлением связей Si–C. Таким образом, этот центр имеет выделенную локальную ось, направленную приРис. 3. Спектры ЭПР, зарегистрированные при разных мерно вдоль связей Si–C, не совпадающих с осью c критемпературах (указанных цифрами около спектров в K) сталла. Обращает на себя внимание резкое уменьшение в -облученном образце 4H-SiC, в ориентации B c.

интенсивности сигнала ЭПР в минимальных магнитных полях при углах, близких к = 70. В гексагональных кристаллах существует всего 6 таких магнитно неэквивалентных направлений, в плоскости {1120} их показан спектр ЭПР, зарегистрированный в кристалле остается 4, а в ориентации B c все эти направления 4H-SiC, сильно легированном Al (концентрация эквивалентны, и, следовательно, в спектре видна только Al 5 · 1019 см-3) [16]. В этом образце сигналы ЭПР от одна линия ЭПР. Подобные сигналы наблюдались нами глубокого уровня Al более чем на 2 порядка интенсивнее сигналов от мелкого уровня Al и поэтому в ориентации и в кристаллах 6H-SiC.

= 0 виден только сигнал от глубокого уровня Al. В кристаллах обоих политипов 4H- и 6H-SiC, В подобных кристаллах принадлежность сигналов ЭПР подвергнутных -облучению, обнаружено по три сигнала алюминию была одозначно установлена методом двойно- ЭПР. На рис. 3 показана температурная зависимость Рис. 4. Угловые зависимости сигналов ЭПР центров 1, 2 и 3 в кристаллах 6H-SiC (a) и 4H-SiC (b). Вращение кристаллов производилось в разных плоскостях: 4H-SiC — в плоскости {1120}, 6H-SiC — в плоскости {1100}. Экспериментальные угловые зависимости для сигналов: 1 — 1 (температура регистрации 7 K), 2 — 2 (23 K) и 3 — 3 (34 K). Сплошные, штриховые и пунктирные линии — расчет с использованием данных из таблицы.

1 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1412 И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, П.Г. Баранов Параметры сигналов ЭПР центров 1, 2 и 3 в -облученных (1120), ось Y перпендикулярна плоскости (1120). Искристаллах 4H-SiC и 6H-SiC.

пользовано следующее определение углов Эйлера [18]:

первый угол представляет собой вращение вокруг 1 2 оси Z, второй угол — вращение вокруг новой оси Y и 4H 6H 4H 6H 4H 6H третий угол — вращение вокруг новой оси Z. Таким gx 2.006 2.006 2.015 2.015 2.014 2.013 образом, направление оси Z лабораторной системы коgy 2.000 2.000 2.002 2.000 2.002 2.ординат может быть представлено тремя углами Эйлера gz 2.044 2.041 2.040 2.042 2.036 2.(0,0,0). Шесть магнитно-неэквивалентных направлений вдоль связей Si–C, не совпадающих с осью c кристалла, в идеальной решетке 6H-SiC задаются комбинациями 1 0 115 0 116 0 115 -4 115 30 124 0 следующих углов Эйлера (,, ) в градусах: (0,110, 0), 2 119 115 118 116 121 115 124 115 115 124 121 (120, 110, 0), (240, 110, 0), (0, 250, 0), (120, 250, 0) 3 241 115 242 116 239 115 236 115 245 124 239 и (240, 250, 0).

4 0 245 0 244 0 245 4 245 30 236 0 5 119 245 118 244 121 245 124 245 115 236 121 Из величин углов Эйлера, приведенных в таблице, 6 241 245 242 244 239 245 236 245 245 236 239 видно, что ориентации центров 1, 2 и 3 различны и не совпадают точно с направлениями связей Si–C.

Примечание. Углы Эйлера, приведены для каждого из 6 магнитоОднако очевидно, что все отклонения от идеальных неэквивалентных центров, углы равны нулю.

осей, а также различия между центрами 1, 2 и сравнительно малы, и качественно можно говорить, что сигналов ЭПР, наблюдавшихся в кристалле 4H-SiC в все эти центры имеют одинаковую природу. Центры ориентации B c. Видно, что сигнал, обозначенный имеют симметрию, близкую к аксиальной относительно как 1, наблюдается при температурах 4.5-15 K, втолокальной оси z, ориентированной примерно вдоль однорой (2) — при температурах 10-35 K и третий (3) — го из направлений связи Si–C, не совпадающей с осью c.

при температурах 18-50 K. Таким образом, сигналы Центры 2 и 3 имеют более низкую симметрию, хотя и 2 наблюдаются одновременно в сравнительно узком направление вдоль указанных связей также достаточно температурном диапазоне 10-15 K, а сигналы 2и3— сильно выражено, при этом величина максимального в диапазоне 18-35 K. При этом следует отметить, что g-фактора gz уменьшается в ряду при переходе от ширина линий центров 1 и 2 перед их исчезновением до 3.

существенно увеличивается (рис. 3), тогда как положеВ спектрах ЭПР сигнала 1 в кристалле 4H-SiC (где ние линий ЭПР практически не изменяется.

сигналы наиболее интенсивны) для некоторых ориентаНа рис. 4 показаны угловые зависимости сигналов ций наблюдалась дополнительная структура. Она видна ЭПР центров 1, 2 и 3 в кристаллах 6H-SiC (a) и 4H-SiC (b). Следует отметить, что вращение кристаллов производилось в разных плоскостях: 4H-SiC — в плоскости {1120}, а 6H-SiC в плоскости {1100}. Символы 1, 2, 3 показывают экспериментальные угловые зависимости для сигналов 1 (температура регистрации 7 K), 2 (23 K) и 3 (34 K). Эти зависимости могут быть описаны спиновым гамильтонианом со спином S = 1/H = µB(gxHxSx + gyHySy + gzHzSz), где µB — магнетон Бора, gx, gy, gz — g-факторы, соответствующие направлениям локальных осей симметрии центра x, y, z.

Теоретически рассчитанные угловые зависимости для сигналов 1, 2 и 3 показаны на рис. 4 сплошными, штриховыми и пунктирными линиями соответственно.

Расчет произведен с помощью программы R-Spectr [18] с использованием g-факторов, приведенных в таблице; там же приведены величины углов Эйлера для 6 магнитноРис. 5. Линия ЭПР 327.5 мТл (см. рис. 2), зарегистрированэквивалентных ориентаций каждого центра.

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.