WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 12 Фотолюминесценция в области 1.5 мкм механически обработанных слоев монокристаллического кремния ¶ + © Р.И. Баталов, Р.М. Баязитов, Б.А. Андреев, Д.И. Крыжков, Е.И. Теруков, В.Х. Кудоярова+ Казанский физико-технический институт Казанского научного центра Российской академии наук, 420029 Казань, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 17 июня 2003 г. Принята к печати 18 июня 2003 г.) Исследована фотолюминесценция слоев монокристаллического кремния (100), подвергнутого механической обработке (шлифовка и полировка). Обнаружен интенсивный сигнал фотолюминесценции при 77 K с максимумом при 0.83 эВ (1.5 мкм) и шириной линии 50 мэВ, появляющийся в результате термического отжига кристалла (800C). Обсуждаются возможные причины возникновения этого сигнала, связанные с декорированием дислокаций примесными атомами.

1. Введение сигнал ФЛ имеет максимальную интенсивность. При повышении уровня декорирования до 1015 см-2 формируются металлические силицидные преципитаты (Cu3Si, Вследствие непрямой запрещенной зоны (ширина NiSi2), которые полностью гасят эмиссию фотонов в запрещенной зоны Eg = 1.1эВ) монокристаллический кремний (Si) является неэффективным излучателем све- области 1.5 мкм.

Эффект накопления металлических атомов на структа при комнатной температуре, что препятствует сотурных дефектах в Si в процессе высокотемпературзданию оптоэлектронных приборов на его основе (свеного отжига (геттерирование) широко используется в тодиодов, лазеров) и их интеграции с существующими микроэлектронной технологии с целью удаления нежемикроэлектронными приборами. В последние 10-15 лет лательных металлических примесей из активных приинтенсивные усилия исследователей направлены на соборных областей, находящихся на лицевой стороне здание новых светоизлучающих структур на основе Si, и монокристалла Si, в неактивные области кристалла [14].

данное направление исследований получило устойчивый Для этого обратная сторона пластины Si подвергатермин — кремниевая оптоэлектроника. Наибольший ется механической обработке (шлифовка, полировка), интерес представляет создание эффективных излучатепосле которой остается поврежденный слой толщиной лей на основе Si, работающих на длине волны 1.5 мкм, до 10 мкм, содержащий большое число структурных соответствующей области прозрачности Si и двуокиси нарушений, основными из которых являются дислокакремния (SiO2) и используемой в волоконно-оптических ции [15–17]. К настоящему времени отсутствуют систелиниях связи. Основными подходами к созданию таких матические данные об исследовании ФЛ поврежденного излучателей являются легирование Si ионами эрбия слоя Si, декорированного атомами металлов в процессе (Si : Er) [1,2], синтез прямозонного дисилицида железа геттерирования, несмотря на то что данный объект в (-FeSi2) [3,4] и формирование дислокационных струкпринципе может дать интенсивную ФЛ при невысоких тур в Si, дающих ряд эмиссионных линий D1-D4, из уровнях декорирования дислокаций примесными атомакоторых линия D1 ( 0.81 эВ) представляет особый ми (1012-1014 см-2), что может быть реализовано в интерес для оптоэлектроники [5,6].

процессе термического отжига.

Основными путями введения протяженных дефектВ данной работе нами исследовалась ФЛ кремниеных структур в Si, излучающих в области 1.5 мкм вых пластин, подвергнутых стандартной механической (линия D1), являются пластическая деформация криобработке (шлифовка и полировка) с обратной сторосталла Si [5,6], рост слоев SiGe на подложке Si [7,8], ны. В результате последующего термического отжига имплантация в Si тяжелых ионов с последующим отнаблюдался интенсивный сигнал ФЛ с максимумом жигом [9,10], плавление поверхности Si лазерным изпри 0.83 эВ (1.5 мкм), отличающийся по спектральному лучением [11]. В [7,12,13] было показано, что для положению и форме от хорошо известной линии D1, возникновения интенсивной фотолюминесценции (ФЛ) обусловленной дислокациями.

в области 1.5 мкм необходимым условием является декорирование дислокаций и дефектов упаковки ато2. Эксперимент мами переходных и благородных металлов (Cu, Fe, Ni, Ag, Au, Pt), причем существует оптимальный уроВ работе использовались стандартные пластины мовень декорирования дефектов, 1013 см-2, при котором нокристаллического кремния (фирма ЭЛМА, диаметр ¶ E-mail: bayaz@kfti.knc.ru пластин 75 мм), выращенного по методу Чохральско2 1428 Р.И. Баталов, Р.М. Баязитов, Б.А. Андреев, Д.И. Крыжков, Е.И. Теруков, В.Х. Кудоярова го с содержанием кислорода 5 · 1017 см-3. Пластины толщиной 380 мкм и ориентацией (100) имели n-тип проводимости (легированы фосфором до концентрации 1015 см-3) и удельное сопротивление 4-5Ом· см.

Обратная (нерабочая) сторона пластин была механически шлифована и полирована, тогда как лицевая (рабочая) сторона была дополнительно полирована химически до зеркального блеска с целью устранения поврежденного слоя. Термический отжиг (ТО) образцов площадью S = 1.0-1.5см2 проводился в кварцевой трубе в атмосфере азота при температуре 800C в течение 20 мин. Кремниевые образцы загружались в печь при комнатной температуре. Скорости нагрева и охлаждения образцов составляли 30 и 50 град/мин соответственно. Спектры ФЛ исходных и термически отожженных образцов Si измерялись при температуре 77 K в ближней инфракрасной (ИК) области (1.0-1.7мкм).

Сигнал ФЛ возбуждался излучением аргонового лазера (линия 514.5 нм, мощность 300 мВт) и регистрировался Рис. 2. Спектры фотолюминесценции при 77 K, снятые с лифурье-спектрометром Bomem, оснащенным охлаждаецевой стороны пластины n-Si (100) в исходном состоянии (1) мым германиевым p-i-n-фотодиодом, с той же сторои после термического отжига в режиме 800C/20 мин (2).

ны, на которую падало излучение лазера.

3. Результаты и обсуждение тельную рекомбинацию неравновесных электронно-дырочных пар. После ТО (800C, 20 мин) спектр ФЛ, Спектры ФЛ, снятые с обратной (механически шлифоснятый с обратной стороны пластины, кардинально ванной и полированной) стороны исходной пластины Si изменился (кривая 2). При этом наблюдалось появление до ТО (рис. 1, кривая 1), не содержали каких-лиинтенсивной и симметричной по форме линии ФЛ с бо спектральных особенностей в области 0.75-1.2эВ.

максимумом при 0.83 эВ (1.5 мкм) и шириной 50 мэВ и Отсутствие пика в области 1.1 эВ (собственное излупоявление сигнала собственного излучения Si при 1.1 эВ чение Si) объясняется сильным нарушением и мехас интенсивностью, почти в 7 раз меньшей. Появление ническими напряжениями слоев Si, гасящими излучакраевой люминесценции Si свидетельствует о кристаллизации аморфных приповерхностных слоев Si толщиной до 100 нм [17], снятии механических напряжений и устранении различных точечных дефектов, введенных механической обработкой и являющихся эффективными центрами безызлучательной рекомбинации.

Для выяснения природы интенсивного сигнала ФЛ при 0.83 эВ проводилось стравливание слоя толщиной 3 мкм с обратной стороны пластины Si в растворе плавиковой и азотной кислот (HF : NHO3 = 1: 4) с последующим измерением ФЛ при температуре 77 K (кривая 3). При этом наблюдалось сильное падение интенсивности сигнала при 0.83 эВ без значительного изменения его спектрального положения, а интенсивность собственного излучения Si увеличивалась, что свидетельствует об удалении наиболее поврежденного механической полировкой слоя.

В отличие от спектров с обратной стороны, спектры ФЛ, снятые с лицевой (химически полированной) стороны исходной пластины (рис. 2, кривая 1), показывают достаточно интенсивную краевую люминесценцию Si Рис. 1. Спектры фотолюминесценции при 77 K, сняв области 1.1 эВ. После ТО (кривая 2) интенсивность тые с обратной стороны пластины n-Si (100) в исходкраевой люминесценции Si возрастает и дополнительно ном состоянии (1), после термического отжига в режипоявляется линия с максимумом при 0.83 эВ, однако ме 800C/20 мин (2), после термического отжига 800C/20 мин и стравливания слоя толщиной 3 мкм (3). ее интенсивность почти в 5 раз меньше интенсивноФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотолюминесценция в области 1.5 мкм механически обработанных слоев... сти сигнала, снятого с обратной стороны. Существен- Химическое удаление механически обработанного и терно меньшая интенсивность сигнала ФЛ при 0.83 эВ, мически отожженного слоя Si толщиной 3 мкм приводинаблюдающаяся с лицевой стороны пластины, веро- ло к почти полной потере сигнала ФЛ. Предполагается, ятно, обусловлена значительно меньшей плотностью что причиной появления интенсивного сигнала ФЛ являдефектов обработки, оставшихся после дополнительной ется декорирование дефектов полировки Si примесными химической полировки лицевой поверхности пластины. атомами из объема монокристалла.

Обнаруженная в данной работе интенсивная полоРабота выполнена при поддержке Российского фонда са ФЛ при 0.83 эВ существенно отличается по своему фундаментальных исследований (грант № 02-02-16838) спектральному положению от хорошо известной лии программы Президиума РАН „Низкоразмерные кваннии D1 (0.807-0.810 эВ), связанной с дислокациями товые структуры“ (4В19).

в Si [5]. Проведенные нами эксперименты по травлению Si показывают, что оптически активный слой Si локализован на обратной стороне пластины на глу- Список литературы бине до 5 мкм от поверхности и обусловлен дефек[1] H. Ennen, K. Schneider, G. Pomrenke, A. Axmann. J. Appl.

тами, введенными механической обработкой, которые Phys. Lett., 43, 943 (1983).

трансформировались в процессе высокотемпературного [2] H. Ennen, G. Pomrenke, A. Axmann, K. Eisele, W. Haydl, отжига. Укажем на возможные причины возникновения J. Schneider. Appl. Phys. Lett., 46, 381 (1985).

интенсивного сигнала ФЛ с обратной стороны пластины.

[3] M.C. Bost, J.E. Mahan. J. Appl. Phys., 58, 2696 (1985).

Известно, что поврежденный механической обработ[4] D. Leong, M. Harry, K.J. Reeson, K.P. Homewood. Nature, кой слой Si на обратной стороне пластины является 387, 686 (1997).

стоком для быстро диффундирующих атомов переход- [5] Н.А. Дроздов, А.А. Патрин. Письма ЖЭТФ, 23 (11), ных и благородных металлов (Cu, Ni, Fe, Au, Pt) (1976).

[6] V.V. Kveder, E.A. Steinman, S.A. Shevchenko, H.G. Grimв Si. Кроме того, известно, что поврежденный слой meiss. Phys. Rev. B, 51, 10 520 (1995).

является геттерирующим центром и для межузельного [7] V. Higgs. Sol. St. Phenomena, 32-33, 291 (1993).

кислорода в Si, который накапливается на структурных дефектах и образует окисные преципитаты SiOx [8] E.A. Steinman, V.I. Vdovin, T.G. Yugova, V.S. Avrutin, N.F. Izyumskaya. Semicond. Sci. Technol., 14, 582 (1999).

после длительного ТО [16]. Известно также, что зо[9] M.G. Grimaldi, S. Coffa, C. Spinella, F. Marabelli, M. Galli, на ФЛ в области 0.83-0.84 эВ наблюдалась ранее как L. Miglio, V. Meregalli. J. Luminecs., 80, 467 (1999).

на дефектах упаковки (окислительных и эпитаксиаль[10] N.A. Sobolev, O.B. Gusev, E.I. Shek, V.I. Vdovin, T.G. Yugova, ных), декорированных атомами золота (Au) [13], так A.M. Emel’yanov. J. Luminecs., 80, 357 (1999).

и в Si, содержащем кислородные преципитаты [18].

[11] E.O. Sveinbjornsson, J. Weber. Appl. Phys. Lett., 69, Следует отметить, что зарождение и рост кислородных (1996).

преципитатов происходит в процессе многостадийного [12] V. Higgs, E.C. Lightowlers, G. Davies, F. Schaffler, E. Kasper.

Semicond. Sci. Technol., 4, 593 (1989).

(450-1050C) и продолжительного (до 120 ч) ТО, ка[13] V. Higgs, M. Goulding, A. Brinklow, P. Kightley. Appl. Phys.

ковой в наших экспериментах не проводился. Наиболее Lett., 60, 1369 (1992).

вероятной причиной возникновения интенсивного сиг[14] A.A. Istratov, H. Hieslmair, E.R. Weber. Appl. Phys. A, 70, нала ФЛ при 0.83 эВ может быть геттерирование дефек489 (2000).

тами механической обработки металлических примесей, [15] Я.А. Угай, И.В. Кириченко, К.Р. Курбанов. Изв. АН СССР, изначально присутствующих в объеме монокристалла Si 8 (2), 209 (1972).

на уровне концентрации < 1014 см-3. Работа по иссле[16] T.J. Magee, C. Leung, H. Kawayoshi, B.K. Furman, дованию влияния остаточных примесей в кристалле Si C.A. Evans. Appl. Phys. Lett., 38, 891 (1981).

на ФЛ в области 1.5 мкм проводится в настоящее время [17] J. Chen, I. De Wolf. Semicond. Sci. Technol., 18, 261 (2003).

с применением методов релаксационной спектроскопии [18] S. Binetti, S. Pizzini, E. Leoni, R. Somaschini, A. Castaldini, глубоких уровней (DLTS) и нейтронно-активационного A. Cavallini. J. Appl. Phys., 92, 2437 (2002).

анализа (NAA).

Редактор Л.В. Шаронова 4. Заключение Пластины монокристаллического кремния Si (100), подвергнутые стандартной механической обработке (шлифовка и полировка), были исследованы методом фотолюминесцентной спектроскопии при 77 K в ближней ИК области (1.0-1.7мкм). После термического отжига (800C, 20 мин) обнаружено появление интенсивного сигнала ФЛ в виде линии симметричной формы с максимумом при 0.83 эВ (1.5 мкм) и шириной 50 мэВ.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1430 Р.И. Баталов, Р.М. Баязитов, Б.А. Андреев, Д.И. Крыжков, Е.И. Теруков, В.Х. Кудоярова Photoluminescence in the range 1.5 µm from the layers of single-crystalline silicon subjected to mechanical processing R.I. Batalov, R.M. Bayazitov, B.A. Andreev, + D.I. Krizhkov, E.I. Terukov, V.Kh. Kudoyarova+ Kazan Physicotechnical Institute, Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, 420029 Kasan, Russia Institute for Physics of Microstructures, 603950 Nizhny Novgorod, Russia + Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

Photoluminescence from layers of single-crystalline silicon (100) subjected to mechanical processing (grinding and polishing) was investigated. Intense photoluminescence signal at 77 K with a peak maximum at 0.83 eV (1.5 µm) and full width at half maximum (FWHM) 50 meV was observed as a result of thermal annealing (800C). Possible reasons for the appearance of this signal related to decoration of dislocations by impurity atoms are discussed.




© 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.