WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 12 Температурная зависимость ширины зоны глубоких уровней в сильнодефектном кремнии ¶ © Я. Партыка, П.В. Жуковский, П. Венгерэк, А. Родзик, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак Люблинский технический университет, 20-618 Люблин, Польша Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия (Получена 28 февраля 2002 г. Принята к печати 19 марта 2002 г.) Исследованы температурные зависимости положения максимума и полуширины полосы поглощения нейтральными дивакансиями в кремнии, облученном нейтронами дозой 1019 cм-2. Полученные результаты анализируются на основании представлений о зоне дефектных уровней, ширина которой зависит от степени компенсации и температуры.

Характерной чертой полупроводников с большими с доноров перейдут на глубокие уровни дефектов, а концентрациями мелких примесей является образование дальнейшее увеличение концентрации ND приведет к ропримесных зон. В полупроводниках, легированных мел- сту концентрации дефектов в нейтральном зарядовом кими примесями одного типа, примесная зона приводит состоянии.

сначала к уменьшению энергии ионизации, а затем, В связи с этим кремний n-типа, облученный большими с дальнейшим увеличением концентрации примесей, дозами радиации (ND Nd), при отсутствии прыжкок вырождению. В компенсированных полупроводниках вого обмена зарядами является полупроводником, слабо в области низких температур примесная зона подверга- компенсированным глубокими амфотерными дефектами, ется дополнительному уширению, связанному с флукту- поскольку Nd ациями электростатического потенциала [1].

1. (2) ND В кремнии, облученном большими дозами быстрых нейтронов [2–4] и ионов [5], вследствие компенсации раСтепень компенсации дополнительно уменьшается диационными дефектами появляется прыжковый обмен вследствие образования при облучении примеснозарядами между нейтральными дефектами. Большинство дефектных комплексов, например фосфор–вакансия, корадиационных дефектов в кремнии являются амфотерторые, будучи глубокими центрами, уменьшают конными, а основным зарядовым состоянием для них явцентрацию мелких доноров. В этом случае степень ляется нейтральное [6]. В связи с этим компенсация компенсации кремния, облученного большими дозами такими дефектами происходит иным образом, чем при радиации, есть Nd одновременном легировании мелкими донорами и акцепKir 1. (3) торами, для которых степень компенсации Ksh = Na/Nd ND (для полупроводника n-типа, когда Nd > Na).

Неравенство (3) означает, что степень компенсации Это означает, что в легированном компенсировансильнодефектного кремния необходимо искать в ином, ном полупроводнике n-типа при низких температурах чем Nd/ND, виде.

концентрация положительно заряженных доноров равна В [5,7] показано, что в случае прыжкового обмена концентрации отрицательно заряженных акцепторов, а электрона между нейтральными амфотерными дефекNd-Na доноров находятся в нейтральном зарядовом сотами с глубокими уровнями возникают пары полостоянии. Для достижения сильной компенсации конценжительно и отрицательно заряженных дефектов, а их трации примесей мелких доноров и акцепторов должны концентрация равна быть близки.

В случае компенсации амфотерными глубокими де- NDP(T ) N+ = N- =, (4) фектами при больших дозах облучения нейтронами 2P(T) + выполняется условие где P(T ) — вероятность прыжковой перезарядки, котоND > Nsh, (1) рую можно записать, например, в виде, предложенном в [8]; — время существования дефекта в заряженном где ND — концентрация амфотерных дефектов, Nsh — состоянии.

концентрация мелких примесей.

Тогда N+ P(T ) Из неравенства (1) следует, что перекомпенсация Kir(T ) = =. (5) амфотерными глубокими примесями при низких тем- ND 2P(T ) + пературах не происходит. При ND > Nd все электроны Как видно из (5), в кремнии, компенсированном глу¶ E-mail: pawel@elektron.pol.lublin.pl бокими амфотерными дефектами, степень компенсации Температурная зависимость ширины зоны глубоких уровней в сильнодефектном кремнии является функцией температуры T, поскольку P(T ) 1. Экспериментальные результаты и зависят от температуры. Ширина примесной зоны и их обсуждение зависит как от концентрации примесей, так и от степени компенсации [9]. Одним из доминирующих собственных амфотерных Флуктуации электростатического потенциала в полу- дефектов в облученном большими дозами нейтронов проводнике можно описать среднеквадратичной ампли- кремнии являются дивакансии [11]. Их коэффициент тудой B. Согласно [10], введения составляет около 1 см-1 [12]. Поэтому при использованной нами дозе облучения 1019 cм-2 концентраe2(Na + Nd)2/ция дивакансий значительно превосходит концентрацию B. (6) (Na - Nd)1/3 примесно-дефектных комплексов, включающих в свой состав как мелкие, так и остаточные примеси [13]. СдиВ нашем случае Na + Nd ND; Na - Nd —число дефеквакансиями, находящимися в нейтральном зарядовом тов в нейтральном зарядовом состоянии. Согласно [7], состоянии, связана полоса инфракрасного поглощения около 1.8 мкм. В данной работе были измерены спектры ND N0 = Na - Nd =. (7) инфракрасного пропускания и отражения кремния с со2P(T ) + держанием мелких доноров около 1014 см-3. Спектры регистрировались двухлучевым спектрометром с накоТогда 1/1/пителем на персональном компьютере. Погрешность e2ND 2P(T ) + B. (8) определения пропускания и отражения не превышала 0.03%. Измерения проводились в температурном диаРаспределение глубоких центров по энергиям в обрапазоне 77–420 K. Точность поддержания температуры зовавшейся примесной зоне [10] есть образца составляла ±2K.

На рис. 1 представлены спектральные зависимости ND -Eпропускания и коэффициента поглощения при разных N(E) = exp, (9) 2B2B температурах измерений. Коэффициент поглощения рассчитывался по формуле, приведенной в [14], учитывагде энергия E отсчитывается от середины зоны глубоких ющей многократные отражения от обеих поверхностей уровней. Подставляя в (9) выражение (8), для B получим образца:

(1 - R)2 exp(-d) 2/ ND T =, (13) N(E) = 1 - R2 exp(-2d) 1/2e2 2P(T ) + где d — толщина образца, T — коэффициент пропускания, R — коэффициент отражения.

E exp -. (10) 1/1/e2ND 2P(T ) + Полуширина зоны глубоких уровней E(T ) = 8ln2B 1/1/ e2ND 2P(T ) + = 8ln2. (11) Или, учитывая (5), 1/ e2ND E(T ) = 8ln(1 - 2Kir )1/= E(0)(1 - 2Kir )-1/3, (12) где E(0) — полуширина зоны для случая отсутствия компенсации и при температурах, близких к 0 K. Можно считать, что E(0) это собственная ширина зоны глубоких уровней, обусловленная взаимодействием дефектов одного типа между собой. Электростатическое взаимодействие дефектов с мелкими примесями, а также Рис. 1. Спектры пропускания (1) и коэффициента поглоизменение зарядового состояния дефектов при прыжкощения (2–4) кремния, облученного быстрыми реакторными вом обмене электронами должно привести, как видно из нейтронами потоком 1019 см-2. Температуры измерений, K:

(12), к дополнительному уширению зоны. 1, 2 — 77; 3 — 293; 4 — 413.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1414 Я. Партыка, П.В. Жуковский, П. Венгерэк, А. Родзик, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак изменение ширины запрещенной зоны, которая в области температур до 220 K уменьшается нелинейно, а при T > 220 K — линейно. Температурный коэффициент изменения Eg составляет -2.84 · 10-4 эВ · K-1 [16].

Принято считать, что полоса поглощения около 0.7 эВ связана c внутрицентровыми электронноколебательными переходами нейтральных дивакансий.

Если предполагать, что полоса поглощения около 0.7 эВ связана с переходами электронов с уровней основного состояния нейтральных дивакансий, то значительная полуширина полосы (около 0.1-0.12 эВ, см. рис. 4) связана с тем, что глубокие уровни дивакансий образуют зону. Как следует из рис. 4, полуширина полосы поглощения дивакансиями начинает увеличиваться при T > 100 K, в области 250-350 K остается постоянной, а при T > 350 K уменьшается. Таким образом, и положение максимума, и ширина зоны глубоких уровней дивакансий зависят от температуры.

Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, облученного нейтронами. T, K: 1 — 77, 2 — 293, 3 — 413.

Обычно при вычислении (E) используют табличные данные коэффициента отражения R(E), которые можно найти, например, в [15].

На величину R(E) влияют как качество обработки поверхности образца, так и облучение материала. Поэтому при вычислении коэффициентов поглощения нами были использованы экспериментально определенные спектральные зависимости R(E) для аналогично обработанного облученного образца значительно большей толщины (для измерения спектров пропускания d = 0.3 мм, для измерения спектров отражения d = 2.5мм). ПриРис. 3. Температурная зависимость положения максимума меры спектров отражения, полученных при разных полосы поглощения дивакансий в кремнии, облученном нейтемпературах, приведены на рис. 2. В исследованном тронами.

спектральном диапазоне наблюдаются две линии поглощения — широкая с максимумом 0.7 эВ, связанная с поглощением нейтральными дивакансиями, и узкая, с максимумом 0.56 эВ и полушириной 0.02 эВ.

Кроме того, в спектре присутствует близкраевое поглощение. С целью определения основных параметров полосы поглощения дивакансий — энергетического положения максимума Ew и полуширины полосы поглощения Ew — из спектральной зависимости (E) мы вычли величину коэффициента близкраевого поглощения, которое может привести к некоторому изменению Ew и Ew.

Определенные таким образом величины представлены на рис. 3, 4.

Как видно из рис. 3, в интервале температур 77–420 K величина Ew уменьшается сначала сублинейно (до 200 K), а затем практически линейно. На участке 200–420 K температурный коэффициент изменения положения максимума полосы поглощения дивакансий составляет около (-2.1 ± 1.5) · 10-4 эВ · K-1. Изменения Рис. 4. Температурная зависимость ширины полосы поглощеEw происходят подобным образом, как и температурное ния дивакансий.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Температурная зависимость ширины зоны глубоких уровней в сильнодефектном кремнии При данной дозе облучения дивакансии являются пре- положительных (для E(0/+) = 0.18 эВ) и отрицательвалирующими дефектами. Поэтому прыжковый обмен ных (для E(0/-) =0.33 эВ) зарядовых состояний. Это электронами происходит между соседними нейтральны- означает, что в случае гауссова распределения уровней ми дивакансиями. При достаточно низких температу- нейтральных дивакансий по энергиям (формула (11)) рах, когда вероятность прыжкового обмена мала, т. е. часть из них будет находиться выше уровня отрицаP(T ) 0, из формулы (11) следует, что собствен- тельных, а часть — ниже уровня положительных диваная ширина зоны глубоких уровней E(0) зависит от кансий. Таким образом, даже при низких температурах, концентрации дефектов ND. Полагая в формуле (11) когда вероятность прыжковой перезарядки равна нулю, P(T) = 0, найдем связь собственной ширины зоны возникновение зоны уровней нейтральных дивакансий с концентрацией: приведет к тому, что некоторая их часть будет находиться в положительном и отрицательном зарядовых со E(0) стояниях. Концентрацию заряженных дивакансий можно ND =. (14) определить в этом случае по формуле 8ln2ec(±) Формула (14) позволяет по результатам низкотем4ln2 ND N(±) = exp - d, (16) пературных измерений полуширины линии поглощения E(T ) E(0) рассчитать концентрацию дефектов.

Как видно из рис. 4, для нейтральных дивакансий где при T = 77 K E(0) =0.10 эВ. Этому, согласно форму E(0/+) c(+) = - 8ln2 (17) ле (14), соответствует концентрация дивакансий около E(T) 4 · 1019 cм-3, что согласуется с результатами спектродля положительных дивакансий и скопических исследований, приведенными в [12].

В работе [17] получено выражение, дающее прибли E(0/-) c(-) =- 8ln2 (18) женную оценку ширины примесной зоны:

E(T) для отрицательных.

2e E, (15) Расчеты по формулам (16)–(18) показали, что при R ND = 4 · 1019 см-3 N(+) при температуре жидкого азота -1/3 и ниже составляет около 1015 см-3, а при комнатной — где R ND — среднее расстояние между примесями около 1 · 1016 см-3. Концентрация отрицательных диили дефектами. Концентрации дивакансий 4 · 1019 см-3, вакансий при низких температурах составляет около рассчитанной нами по формуле (14) на основании экспе2.5 · 106 см-3 и возрастает при комнатной температуре риментальных данных, соответствует, согласно формуле до 1011 см-3. Таким образом, в кристаллах с об(15), ширина зоны глубоких уровней около 0.1 эВ. Таким ластями скоплений дефектов, созданных нейтронным образом, приведенная в работе модель хорошо соглаоблучением, уже при низких температурах небольшая суется с известными ранее данными [17] для области часть дивакансий может перейти в положительное и отнизких температур, где E = const. Проведенный нами рицательное зарядовые состояния. Степень компенсации учет влияния степени компенсации и температуры припри этом составляет около 2.5 · 10-5. При температурах водит к дополнительному уширению примесной зоны — выше жидкого азота начинается прыжковый обмен заряформула (12). При степени компенсации, близкой к 0.5, дами между нейтральными дивакансиями, что приводит ширина зоны может увеличиться в несколько раз по к дальнейшему увеличению ширины примесной зоны сравнению со случаем отсутствия компенсации при (рис. 4).

низких температурах.

При отличной от нуля степени компенсации, что Дивакансии в зависимости от зарядового состохарактерно для более высоких температур, например яния вносят в запрещенную зону четыре уровня.

комнатной, формула (11) позволяет определить произПоложительному зарядовому состоянию соответствует ведение вероятности прыжковой перезарядки P(T ) и уровень Ev + 0.21 эВ (Ec - 0.94 эВ), отрицательновремени существования дефектов в заряженном состому — Ec - 0.39 эВ, а двукратно отрицательному — янии :

Ec - 0.22 эВ [13,17].

1 E(T ) Зона уровней, соответствующих нейтральному заряP(T ) = - 1. (19) 2 E(0) довому состоянию, находится между уровнями положительного и отрицательного зарядовых состояний, и Расчеты величин Kir(T ) и P(T ), выполненные на в зависимости от температуры ее максимум занимает основании экспериментальной зависимости Ew от темположение от Ec - 0.72 эВ при T = 77 K до Ec - 0.67 эВ пературы по формулам (5) и (19), приведены на рис. 5.

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.