WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Модификация центров дислокационной люминесценции в кремнии под влиянием кислорода © Э.А. Штейнман Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия E-mail: steinman@issp.ac.ru Рассматриваются перспективы использования длинноволновой линии дислокационной люминесценции D1 в светоизлучающих диодах, изготовленных в рамках кремниевых технологий. Стандартное спектральное положение этой линии 807 meV не является каноническим и зависит от морфологии дислокационной структуры и примесного окружения индивидуальных дислокаций. Проанализированы данные по спектральному распределению интенсивности люминесценции в области линии D1 в зависимости от концентрации межузельного кислорода в образцах, параметров пластической деформации и термической обработки. На основании этих данных сделан вывод об определяющем влиянии кислорода на спектральное положение и интенсивность люминесценции в области линии D1. Показано, что для описания вероятной структуры центров рекомбинации можно использовать модель донорно-акцепторных пар, где в качестве донора выступают кислородные комплексы, а в качестве акцептора — структурные дефекты в ядре дислокации.

Работа поддержана грантами INTAS N 01-0194 и программой РАН „Новые материалы“.

Возрастающий интерес к светодиодам привел к повы- Постепенное увеличение плотности дислокаций за шению активности в области исследований оптических счет увеличения степени пластической деформации присвойств материалов на основе кремния [1]. Наиболее водит к перераспределению спектральной интенсивноинтересным среди различных подходов к проблеме при- сти спектра ДФЛ в область линии D1 [9]. Причем вместо менения кремния для светодиодов является использо- относительно узкой линии D1 с полушириной порядка вание глубоких состояний, связанных с примесями и 5-10 meV возникает широкая полоса (полуширина окоструктурными дефектами. Уже при первой попытке изго- ло 80 meV), состоящая из нескольких неразрешенных товить кремниевый светодиод, в котором излучательная линий. Здесь и далее под полосой D1 будет пониматься рекомбинация происходит на дислокационных состояни- область спектра 750-850 meV. Значительная интенсивях, удалось получить люминесценцию при комнатной ность спектра в Fz-Si приходится на длинноволновое температуре [2]. крыло линии D1. Напротив, в Cz-Si с дислокациями Принято считать, что дислокационная фотолюминес- сильнее выражено коротковолновое крыло линии D1, а при высокотемпературном отжиге наблюдается постеценция (ДФЛ) в кремнии представляется в виде четырех пенное смещение максимума широкой полосы в сторону основных линий D1-D4 [3] с энергиями 807, 873, больших энергий от D1 [10]. На рис. 1 приведены и 997 meV соответственно. С точки зрения применения для светодиодов особый интерес представляет линия D1, типичные спектры ДФЛ, полученные в разных условиях.

Хорошо видно, что при относительно малой плотнотак как ее энергия совпадает с окном наибольшей прозрачности волоконной оптики и находится в области сти дислокаций (ND 106 cm-2) в спектре доминируют прозрачности кремния. Кроме того, линия D1 облада- узкие линии D1 и D2 с полушириной порядка 5 meV.

ет наибольшей температурной стабильностью. Отметим При увеличении ND до 108 cm-2 или выше в критакже, что дислокационные центры свечения чрезвы- сталлах с низким содержанием межузельного кислорода чайно устойчивы к термической обработке образцов, ([Oi] 1016 cm-3) сильнее проявляется длинноволнопоэтому они практически не подвержены деградации. вое крыло полосы D1, в то время как в кристаллах Несмотря на длительное изучение центров, ответствен- с большим содержанием кислорода ([Oi] 1018 cm-3) ных за ДФЛ, микроскопическая природа длинноволно- максимум полосы ДФЛ смещен в коротковолновую вых линий остается неясной. В качестве возможных ис- сторону. В работе [11] было показано, что в результате точников линий D1 и D2 предлагались геометрические отжига при температуре 450C образца Fz-Si, предвариособенности на дислокационных линиях (перегибы или тельно продеформированного при температуре 900C, ступеньки) [4], деформационный потенциал [5], примес- длинноволновое крыло линии D1 с максимумом оконо-дислокационные комплексы [6] и точки пересечения ло 780 meV увеличивается. Поскольку отжиг при 450C дислокаций [7,8]. Однако ни одна из этих моделей не стимулирует образование кислородных комплексов, обпозволяла полностью описать экспериментальное пове- ладающих донорным действием, — так называемых дение длинноволновых линий ДФЛ. Настоящая работа термодоноров (ТД), новая линия ДФЛ связывалась с посвящена анализу полученных ранее данных и прове- рекомбинацией на центрах, включающих ТД и акцепдению дополнительных исследований с целью уточнения торные дислокационные состояния. Результаты изучения роли кислорода в формировании центров ДФЛ. температурного гашения линий D1 и 780 meV, а так10 Э.А. Штейнман уже [18] и одновременно уменьшается бесструктурный фон. Таким образом, наблюдается корреляция между механическими и оптическими исследованиями свойств дислокаций, декорированных кислородом.

Обратимое изменение распределения интенсивности ФЛ в области линии D1 при отжиге и закалке свидетельствует об образовании комплексов примесь-дислокация, являющихся центрами рекомбинации, в которых роль основной примеси играет кислород. Таким образом, вводя дислокации посредством пластической деформации образца, мы получаем набор дислокаций с разной степенью декорирования кислородом, поэтому спектр ФЛ такого образца должен представлять собой суперпозицию нескольких полос ФЛ. Напротив, Рис. 1. Спектры ДФЛ в образцах Fz-Si для двух плотностей отжиг при высокой температуре и последующая задислокаций и Cz-Si с большой плотностью дислокаций. Штрикалка должны приводить к частичному освобождению ховые линии показывают стандартное положение линий Dдислокаций от кислорода. На рис. 2 показано влияние и D2.

закалки от 1050C и последующего отжига при 700C на спектр ДФЛ Fz-Si с концентрацией [Oi] 1015 cm-3, предварительно продеформированного при 900C. Видже пассивация атомарным водородом подтвердили это но, что в результате закалки относительный вклад предположение. Несмотря на то что концентрация [Oi] длинноволнового крыла уменьшается. Последующий отв Fz-Si недостаточна для эффективного образования ТД, жиг при 700C приводит к резкому перераспределеразумно предположить, что в окрестности дислокации нию интенсивности в пользу длинноволнового крыла, эта концентрация значительно выше за счет собирания что означает обратную диффузию атомов кислорода к кислорода движущейся дислокацией [12].

дислокации и образование кислородно-дислокационных Более значительные изменения линий ДФЛ наблюкомплексов. Одновременно с перераспределением спекдаются при дополнительном отжиге образцов с дистральной интенсивности закалка приводит к заметному локациями из Cz-Si [13]. Очевидно, что в этом слугашению общей интенсивности ФЛ. Одной из причин чае роль диффузии атомов кислорода к дислокациям этого является увеличение концентрации дефектов и как повышается. Действительно, известно, что протяженследствие уменьшение времени жизни. Поэтому спектры ные дефекты обладают способностью собирать атона рис. 2 нормированы на интегральную интенсивмы примеси благодаря понижению энергии в системе ность ФЛ. На рис. 3 показано влияние послезакалочного примесь-дислокация. В частности, для кремния с дислокациями характерно экспоненциальное уменьшение концентрации межузельного кислорода [Oi] в результате термической обработки при повышенных температурах [14], которое происходит на несколько порядков быстрее, чем в бездислокационных кристаллах. С другой стороны, преципитация кислорода на дислокациях подтверждается увеличением стартовых напряжений, необходимых для того, чтобы сдвинуть дислокацию с места [15]. Можно предположить, что существует температура, при которой возможно обратное растворение преципитатов. Это действительно подтверждается увеличением концентрации Oi в объеме в результате отжига при высоких температурах [16]. Следовательно, „испарение“ кислорода с дислокаций должно приводить к уменьшению стартовых напряжений. В работе [17] было показано, что температурная зависимость стартовых напряжений дислокаций в кремнии имеет излом в районе 1100C, который интерпретировался авторами Рис. 2. Спектр ДФЛ образца кремния с низкой концентрацией как отрыв дислокации от кислородной атмосферы. Искислорода после деформации при 900C и его изменение следование спектров ФЛ пластически деформированных в результате закалки от 1050C и последующего отжига образцов кремния в зависимости от температуры отжига при 700C. Штриховыми линиями показаны стандартные полои последующей закалки также показало, что начиная с жения линий D1 и D2. Спектры нормированы на интегральную температуры закалки 1000C линии D1, D2 становятся интенсивность.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Модификация центров дислокационной люминесценции в кремнии под влиянием кислорода воначальную полосу со смещенным в коротковолновую сторону максимумом (рис. 4). Можно предположить, что небольшое время предзакалочного отжига не позволяет восстановить однородное по объему распределение межузельного кислорода, поэтому обратная диффузия кислорода к дислокации происходит быстрее, чем в исходном образце. В целом процесс геттерирования кислорода дислокацией является немонотонным. Как было показано в работе [19], скорость собирания кислорода около дислокации определяется такими параметрами, как локальная и средняя по объему концентрация [Oi], коэффициент диффузии и скорость преципитации кислорода на самой дислокации.

На рис. 5 показана зависимость этой смещенной полоРис. 3. Спектры ДФЛ Fz-Si после закалки от 1200C и сы от мощности накачки [20]. Видно, что при изменении последующего изохронного отжига.

мощности накачки в 40 раз максимум полосы ДФЛ смещается в фиолетовую сторону более чем на 10 meV;

дальнейшее увеличение мощности накачки не приводит к смещению максимума. Это свидетельствует о том, что полоса ДФЛ в Cz-Si также может быть обусловлена рекомбинацией донорно-акцепторного типа. Накачка мощностью 100 mW, по-видимому, достаточна для возбуждения ближайших донорно-акцепторных пар, поэтому дальнейшее увеличение мощности до 190 mW уже не приводит ни к возрастанию интенсивности ФЛ, ни к смещению максимума.

Таким образом, приведенные результаты показывают, что кислород играет решающую роль в формировании центров ДФЛ. Причем модель рекомбинации, предложенная в работе [11] для полосы 778 meV, не противоречит результатам, полученным на образцах из Cz-Si, в которых основной пик ДФЛ смещен в коротковолновую сторону от D1. Как известно [21], к ТД относится целый ряд кислородных кластеров, содержащих от двух до Рис. 4. Спектры ДФЛ Cz-Si после деформации, закалки и десяти атомов кислорода и имеющих близкую энергию последующего отжига.

основного состояния донорного уровня, составляющую 70 meV. С учетом этого подгонка расчетной кривой к экспериментальному спектру, выполненная в [11], изохронного отжига на ДФЛ в Fz-Si, заключающееся в дает для энергии акцепторного состояния величину обратном увеличении интенсивности ФЛ. Хорошо виден опережающий рост длинноволнового крыла линии D1, свидетельствующий об увеличении доли рекомбинации через кислородно-дислокационные комплексы.

В образцах с большим содержанием [Oi] в отличие от Fz-Si пластическая деформация при высокой температуре и малой скорости1 сразу приводит к появлению полосы ДФЛ с максимумом, смещенным в коротковолновую сторону (рис. 4). В этом случае закалка также способствует появлению в спектре ДФЛ стандартной линии Dи длинноволнового крыла. Фактически, здесь воспроизводится локальная концентрация кислорода около дислокации, которая в образцах с низкой концентрацией кислорода (Fz-Si) достигается только в результате отжига. Однако последующий отжиг восстанавливает перРис. 5. Смещение максимума полосы ДФЛ при увеличении Под малой скоростью деформации понимается относительное изменение размеров образца за время порядка 10-3 min.

мощности накачки.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 12 Э.А. Штейнман 360 meV. Поскольку энергия фотона, испущенного при [15] K. Sumino, H. Harada. Phil. Mag. A 44, 1319 (1981).

[16] I. Yonenaga, K. Sumino. J. Appl. Phys. 80, 2, 734 (1996).

рекомбинации на донорно-акцепторной паре, без учета [17] B. Ya. Farber, V.I. Nikitenko. Phys. Stat. Sol. (a) 73, k ван-дер-ваальсового члена и участия фононов равна [22] (1982).

E(r) =Eg - (EA + ED) +e2/r [18] А.Н. Изотов, Ю.А. Осипьян, Э.А. Штейнман. ФТТ 28, (1986).

(где Eg — ширина непрямой запрещенной зоны в Si, [19] S. Sekader, A. Giannattasio, R.J. Falster, P.R. Wilshaw. Solid EA и ED — энергии ионизации донора и акцептора, r — State Commun. 95-96, 43 (2004).

расстояние между донором и акцептором, — низкоча- [20] A.J. Kenyon, E.A. Steinman, C.W. Pitt, D.E. Hole, V.I. Vdovin.

J. Phys.: Cond. Matter 15, 39, 2843 (2003).

стотная диэлектрическая постоянная), кулоновский член [21] M. Suesawa, K. Sumino. Phys. Stat. Sol. (a) 85, 469 (1984).

для энергии фотона 830 meV (максимум полосы ДФЛ [22] U.O. Ziemelis, R.R. Parsons. Can. J. Phys. 59, 784 (1981).

в образцах Cz-Si) должен составлять 95 meV, что соответствует расстоянию между донором и акцептором 1.5nm [22]. Эта величина представляется разумной.

Таким образом, модель донорно-акцепторной рекомбинации позволяет описать спектральное распределение интенсивности в длинноволной полосе ДФЛ.

Итак, в настоящей работе проанализированы экспериментальные данные для зависимости положения полосы ДФЛ от концентрации кислорода вблизи дислокации и показано, что экспериментальные данные удовлетворительно описываются на основе предположения о рекомбинации донорно-акцепторного типа, где в качестве донора выступают кислородные кластеры, а акцептором является дислокационный дефект, ответственный за линию D1.

Список литературы [1] L. Pavesi. J. Phys.: Cond. Matter 15, R 1169 (2003).

[2] V.V. Kveder, E.A. Steinman, S.A. Shevchenko, H.G. Grimmeiss. Phys. Rev. B 51, 16, 10 520 (1995).

[3] Н.А. Дроздов, А.А. Патрин, В.Д. Ткачев. Письма в ЖЭТФ 23, 651 (1976).

[4] M. Suesawa, Y. Sasaki, K. Sumino. Phys. Stat. Sol. (a) 79, (1983).

[5] Yu. Lelikov, Yu. Rebane, S. Ruvimov, D. Tarhin, A. Sitnikova, Yu. Shreter. Proc. of the 10th Int. Conf. on Defects in Semiconductors / Ed. G. Davies, G.G. De Leo, M. Stavola. Trans.

Tech, Zurich (1992). Mater. Sci. Forum83-87, 1321 (1992).

[6] V. Higgs, E.C. Lightowlers, C.E. Norman, P.C. Kightley. Proc.

the 10th Int. Conf. on Defects in Semiconductors / Ed.

G. Davies, G.G. De Leo, M. Stavola. Trans. Tech, Zurich (1992). Mater. Sci. Forum83-87, 1309 (1992).

[7] T. Sekiguchi, K. Sumino. J. Appl. Phys. 79, 3253 (1996).

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.