WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 10 Светоизлучающие структуры Si : Er, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии: структурные дефекты © В.И. Вдовин, П. Вернер, Н.Д. Захаров, Д.В. Денисов, Н.А. Соболев, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт химических проблем микроэлектроники, 119017 Москва, Россия Институт физики микроструктур им. Макса Планка, Халле/Саале, Германия E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 29 ноября 2004 г.) C помощью обычной и высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии исследованы структурные дефекты в слоях кремния, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии и легированных эрбием до концентрации [Er] =4 · 1019 cm-3. Основными типами протяженных структурных дефектов при [Er] 2 · 1019 cm-3 являются преципитаты Er округлой формы размером 4–25 nm, располагающиеся на границе эпитаксиальный слой–подложка, и пластинчатые выделения ErSi2, залегающие в плоскостях {111} и распространяющиеся по всей толщине слоя.

Работа частично поддержана INTAS (грант N 2001-0194), Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 02-02-16374 и 04-02-16935) и Отделением физических наук РАН в рамках научной программы „Новые материалы и структуры“.

1. Введение число оптически активных ионов Er3+. Детального изучения природы соответствующих структурных дефектов, Для создания светоизлучающих структур на основе образующихся в сильно легированных эрбием эпитакмонокристаллических слоев Si : Er широко используетсиальных слоях кремния, не проводилось. В работе [6] ся метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Инбыли проведены структурные исследования с помощью тенсивность люминесценции оптически активных ценпросвечивающей электронной микроскопии МЛЭ-слоев тров, содержащих ионы эрбия, в эпитаксиальных слокремния с различным уровнем легирования эрбием.

ях изменяется нелинейно с увеличением концентрации Наблюдавшиеся структурные дефекты были определены атомов эрбия [Er] и проходит через максимум при как преципитаты ErSi2 и пластинчатые силициды. К созначениях, существенно меньших предельно вводимых жалению, авторы весьма условно обозначили природу концентраций [1–5]. Как следует из анализа литеравыделений и не представили экспериментальных доказатурных данных, максимальная интенсивность люминестельств.

ценции наблюдалась при различных значениях [Er], Цель настоящей работы заключается в установлении зависящих от примеси-активатора (кислород, фтор, угприроды структурных дефектов, образующихся в эпитаклерод) и способа ее введения в эпитаксиальный слой:

сиальных слоях Si : Er в процессе МЛЭ-роста.

1.5 · 1019 [1] и 5 · 1019 сm-3 [2] — при введении кислорода через специальный капилляр в ростовой камере;

2. Экспериментальные условия 5 · 1019 cm-3 — при введении кислорода сублимацией Er2O3 [3]; 1019 cm-3 — при введении фтора субОбразцы выращивались на установке SUPRA-лимацией ErF3 [3]; 4.5 · 1019 cm-3 — при введении (RIBER) на подложках n-Cz-Si с ориентацией (001) углерода сублимацией из нагреваемой током графитовой и удельным сопротивлением 4.5 · cm. Эпитаксиальнити [4]; 1.5 · 1020 cm-3 — при легировании кислородом ный рост проводился при постоянной температуре сублимацией ErO [5]. Вместе с тем также различные подложки 600C. Поток кремния создавался с помозначения [Er] (2 · 1018 [6] и 2 · 1019 cm-3 [7]), соотщью электронно-лучевого испарения n-FZ-Si с удельветствующие максимальной эрбиевой люминесценции, были установлены в тех случаях, когда намеренного вве- ным сопротивлением 2 · cm. Легирование растущего слоя редкоземельным элементом осуществлялось с дения примесей-активаторов не проводилось. Вероятно, этот разброс данных обусловлен особенностями обра- помощью эффузионной ячейки с металлическим Er.

Температура ячейки составляла 740, 780 и 800C, зования структурных дефектов в эпитаксиальных слоях, что позволило получить МЛЭ-слои с концентрацией зависящими от условий их выращивания. Уменьшение интенсивности люминесценции при больших значениях [Er] =8 · 1018, 2 · 1019 и 4 · 1019 cm-3, согласно дан[Er] обычно связывалось с образованием структурных ным обратного резерфордовского рассеяния протонов дефектов, которые могут являться эффективными цен- с энергией 231 keV [7]. Эпитаксиальные слои сотрами безызлучательной рекомбинации или уменьшать держали, согласно данным вторичной ионной массСветоизлучающие структуры Si : Er, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии... спектрометрии, примеси кислорода и углерода с концентрациями [O] 3 · 1018 cm-3 и [C] 5 · 1017 cm-3.

Эти значения определяются давлением остаточных газов ( 8 · 10-9 Torr) в ростовой камере в процессе роста и превышают максимальную растворимость в объемных монокристаллах. В полученном ряду образцов интенсивность линии фотолюминесценции возрастает примерно в 2 раза и достигает максимального значения при [Er] =2 · 1019 cm-3, а затем уменьшается более чем на порядок величины [7].

Cтруктурные исследования эпитаксиальных слоев проводились на продольных и поперечных срезах образцов с помощью обычной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, микроскоп JEM 200CX) и высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ, микроскоп JEM 4010).

3. Результаты и обсуждение Развитая дефектная структура сформировалась в эпитаксиальном слое с наибольшей концентрацией [Er] 4 · 1019 cm-3. На рис. 1 показано изображение поперечного среза образца, полученное в отражении (220). Дислокации не наблюдаются по всей толщине слоя (0.7 µm). Структурная неоднородность эпитаксиального слоя представлена выделениями второй фазы двух видов с различным распределением по глубине слоя. В области границы слой–подложка располагается полоса дефектов, создающих контраст темных пятен.

В условиях абсорбционного контраста, т. е. в отсутствие Рис. 2. Картина электронной дифракции (a) и темнопольное сильных отражений на дифракционной картине, харакПЭМ-изображение в экстрарефлексах (b) продольного среза тер контраста на этих дефектах остается практически того же образца, что и на рис. 1.

таким же. Этот факт позволяет предположить, что данные дефекты являются преципитатами. Они имеют примерно сферическую форму с диаметром от 4 до лежащие в другой паре наклонных плоскостей {111}, 25 nm. Плотность преципитатов равна (5 ± 2) · 109 cm-2.

проецируются по плоскости залегания и представлены По толщине слоя распространяются пластинчатые выдеполосами зигзагообразной формы.

ления, залегающие в плоскостях типа {111}. ПластинКак следует из рис. 1, образование пластинчатых чатые выделения, выходящие торцом на поверхность выделений не связано непосредственно с преципитафольги {110}, представлены прямыми наклонными потами, располагающимися на границе эпитаксиальный лосами темного контраста. Соответственно выделения, слой–подложка. На картинах электронной дифракции от поперечного среза наблюдаются экстрарефлексы (изображения не показаны). На темнопольных изображениях, полученных в экстрарефлексах, ярко высвечиваются пластинчатые выделения, выходящие торцом на поверхность фольги, тогда как контраст на преципитатах в области границы остается темным. Этот факт указывает на различную природу этих двух видов выделений второй фазы.

На рис. 2 представлены результаты исследований продольного среза этого же эпитаксиального слоя в его приповерхностной части толщиной около 0.3 µm.

На картине электронной дифракции наблюдаются экстрарефлексы (рис. 2, a), которые группируются около основных рефлексов от матрицы кремния и располагаРис. 1. ПЭМ-изображение поперечного среза образца с концентрацией эрбия 4 · 1019 cm-3. ются вдоль направлений типа 110. Такое характерное Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1756 В.И. Вдовин, П. Вернер, Н.Д. Захаров, Д.В. Денисов, Н.А. Соболев, В.М. Устинов расположение экстрарефлексов указывает на то, что их появление вызвано образованием в матрице слоя пластинчатых выделений, залегающих в плоскостях {111}.

Наиболее яркие экстрарефлексы наблюдаются вблизи рефлексов типа {200}, хотя формально последние запрещены в алмазоподобной кристаллической решетке.

На темнопольном изображении, полученном от группы экстрарефлексов вблизи одного из рефлексов {200}, ярко высвечиваются как крупные, так и очень мелкие пластинчатые выделения (рис. 2, b), что указывает на одинаковую их природу. Выделения имеют четкую кристаллографическую ориентацию в матрице слоя. Мелкие выделения расположены точно вдоль кристаллографических направлений типа 110, а у крупных выделений с этими направлениями совпадают фрагменты их зигзагообразного контура, а также линии, по которым плоскость выделений обрезается поверхностью фольги.

Последнее подтверждает тот факт, что пластинчатые Рис. 4. ВРЭМ-изображение выделения округлой формы в выделения лежат в наклонных плоскостях типа {111}.

области границы слой–подложка (поперечное сечение [110]).

В эпитаксиальном слое с концентрацией атомов [Er] 2 · 1019 cm-3 наблюдаются аналогичные дефекты кристаллической решетки. Отличие заключается только об отсутствии значительных механических напряжений в меньшей плотности пластинчатых выделений. В слое с минимальной концентрацией [Er] 8 · 1018 cm-3 пла- между пластинчатыми выделениями и матрицей кремстинчатые выделения не наблюдаются, а дифракционная ния. На рис. 4 приведено ВРЭМ-изображение прецикартина от эпитаксиального слоя соответствует моно- питата округлой формы, располагающегося в области кристаллическому кремнию. границы слой–подложка. Анализ ВРЭМ-изображения Определение кристаллографической структуры Er-со- показывает, что кристаллическая решетка преципитата соответствует фазе металлического Er.

держащих выделений с помощью ВРЭМ проводилось на образце с наибольшей концентрацией атомов редко- Образование двух различных эрбийсодержащих фаз земельного элемента. На рис. 3 показано изображение в эпитаксиальном слое кремния, а также зависимость пластинчатого выделения в поперечном сечении [110] возможности их образования от объемной концентрации эпитаксиального слоя. Анализ ВРЭМ-изображения ука- Er указывают на то, что на ростовой поверхности зывает на то, что пластинчатые выделения представляют слоя происходят сложные взаимодействия между адсобой дисилицид эрбия, ErSi2 (пространственная группа сорбированными атомами эрбия, примесей-активаторов P6/mmm). Из рисунка хорошо видно, что атомные (кислород, углерод) и кремния. Следствием этих взаиплоскости (0001) преципитата параллельны атомным модействий является образование оптически активных плоскостям (–111) матрицы Si. Кроме того, не наблю- комплексов эрбий–кислород (углерод) и преципитатов даются дислокации несоответствия, что свидетельствует дисилицида эрбия. Причем скорость образования комплексов эрбий–кислород (углерод) с учетом большей электроотрицательности примесей-активаторов, чем у кремния, должна быть больше скорости образования ErSi2. В таком случае образование ErSi2 должно происходить только за счет избыточных атомов эрбия на поверхности растущего слоя, которые не захватываются в комплексы эрбий–кислород (углерод). Это предположение позволяет объяснить установленный в данной работе факт, что выделения ErSi2 отсутствуют в слое с величиной [Er] =8 · 1018 cm-3, превышающей предел растворимости эрбия в кремнии [6], и образуются при значении [Er] =2 · 1019 cm-3 и выше. Образование преципитатов Er в приграничной области слоя, вероятно, также обусловлено особенностями физико-химических процессов, происходящих на поверхности растущего слоя на начальной стадии роста. Как было показано ранее в [7], в МЛЭ-слоях Si : Er на границе с подложкой образуется переходная область, в которой регистрируРис. 3. ВРЭМ-изображение пластинчатого выделения в эпи- ется скачок на концентрационных профилях эрбия и таксиальном слое Si : Er (поперечное сечение [110]). примесей.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Светоизлучающие структуры Si : Er, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии... Увеличение плотности пластинчатых выделений ErSi2 по всей толщине слоя. Природа выделений установлена при увеличении концентрации вводимого эрбия от методом ВРЭМ. Пластинчатые выделения не образуют2 · 1019 до 4 · 1019 cm-3 происходит в существенно мень- ся в слоях с [Er] 8 · 1018 cm-3. При [Er] 2 · 1019 cm-шей степени, чем снижение интенсивности фотолюми- размеры и плотность пластинчатых выделений изменянесценции. Это позволяет предположить, что пластин- ются пропорционально концентрации. Зарождение плачатые выделения не являются эффективными каналами стинчатых выделений не связано с преципитатами Er безызлучательной рекомбинации. На это же указывает на границе эпитаксиальный слой–подложка. Скорость достаточно высокая интенсивность люминесценции в образования оптически активных комплексов выше сковыращенном эпитаксиальном слое с [Er] =2 · 1019 cm-3. рости образования дисилицида. Выделения дисилицида Образование каналов безызлучательной рекомбинации не являются эффективными каналами безызлучательной также не связано с протяженными дефектами, како- рекомбинации.

выми могли бы быть дислокации. Представляется маловероятным, что наблюдаемое падение интенсивности Список литературы люминесценции связано с уменьшением концентрации оптически активных центров, поскольку температура [1] R. Serna, J.H. Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman, эпитаксиального роста постоянна, а концентрация эрбия P.F.A. Alkemade. J. Appl. Phys. 79, 5, 2658 (1996).

увеличена всего в 2 раза. Наблюдавшееся уменьшение [2] J. Stimmer, A. Reittinger, J.F. Nutzel, G. Absreiter, H.P. Holzинтенсивности люминесценции, по-видимому, обусловbrechter, Ch. Buchal. Appl. Phys. Lett. 68, 23, 3290 (1996).

лено эффективными каналами безызлучательной реком- [3] W.-X. Ni, K.B. Joelsson, C.-X. Du, I.A. Buyanova, G. Pozina, бинации, образование которых происходит за счет избы- W.M. Chen, G.V. Hansson, B. Monemar, J. Cardenas, B.G. Svensson. Appl. Phys. Lett. 70, 25, 3383 (1997).

точных атомов эрбия на поверхности растущего слоя, [4] M. Markmann, E. Neufeld, A. Sticht, K. Brunner, G. Abstreiter.

не участвующих в формировании оптически активных Appl. Phys. Lett. 75, 17, 2584 (1999).

центров и дисилицида. Интересно отметить, что любой [5] C.-X. Du, W.-X. Ni, K.B. Joelsson, F. Duteil, G.V. Hansson. Opt.

избыточный компонент в системе взаимодействующих Mater. 14, 259 (2000).

атомов эрбия, примесей-активаторов и кремния мо[6] H. Efeoglu, J.H. Evans, T.E. Jackman, B. Hamilton, жет участвовать в образовании центров безызлучательD.C. Honghton, J.M. Langer, A.R. Peaker, D. Perovic, I. Poole, ной рекомбинации. Так, в работе [8] было показано, N. Ravel, P. Hemment, C.W. Chen. Semicond. Sci. Technol. 8, что дополнительная имплантация ионов кислорода в 236 (1993).

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.