WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. 1 Фотолюминесценция в германии с квазиравновесной дислокационной структурой © С.А. Шевченко, А.Н. Терещенко Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия E-mail: shevchen@issp.ac.ru, tan@issp.ac.ru (Поступила в Редакцию 17 апреля 2006 г.) В монокристаллах германия n-типа с квазиравновесной структурой 60 дислокаций исследовалась дислокационная фотолюминесценция (ДФЛ) при 4.2 K. Показано, что спектры ДФЛ описываются совокупностью 8-13 гауссовых линий шириной менее 15 meV. С учетом литературных данных гауссовы линии с энергиями максимумов 0.47 < Em 0.55 eV приписаны излучению 90 частичных дислокаций Шокли в составе квазиравновесных отрезков 60 дислокаций с разными значениями ширины дефекта упаковки:

=, < и >. Установлено, что линия d8 с энергией Em = 0.513 eV, которая соответствует 0 0 0 излучению прямолинейных отрезков с равновесным значением, доминирует в спектрах ФЛ только 0 при плотности дислокаций ND < 106 cm-2. При увеличении ND интенсивность линии d8 уменьшается, а в спектре доминируют сначала линия d7 (Em 0.507 eV), а затем линии d7 и d6 (Em 0.501 eV), которые связываются с излучением отрезков с <. Обсуждаются возможные причины появления значений = 0 для квазиравновесных дислокаций.

Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН П-03 „Квантовая макрофизика“.

PACS: 78.55.-m, 61.72.Hh, 61.72.Lk 1. Введение линии сгущаются к предельной энергии E = 0.55 eV, которая соответствует максимальному удалению 30 и В [1–3] показано, что в германии спектры фотолю- 90 частичных дислокаций Шокли друг от друга. Неравминесценции (ФЛ), связываемой с 60 расщепленными новесные расщепления и линейчатый спектр дислокацидислокациями, чувствительны к структуре ядра, которая онной ФЛ (ДФЛ) исчезают после отжига этих образцов определяется режимом деформации.

при температурах выше 150C.

Согласно [4], двухстадийная деформация кристаллов Дислокационная структура, которую мы называем квагермания и кремния способствует образованию длинных зиравновесной, формируется при релаксации внутрен( 1 µm) прямолинейных отрезков 60 дислокаций со них напряжений в процессе охлаждения образцов в раззначениями ширины дефекта упаковки (ДУ), отлиn груженном состоянии после первой стадии деформации, чающимися от равновесного значения. При этом а также после отжига деформированных образцов в кристаллы деформируются сначала при высокой темшироком интервале температур. Такой дислокационной пературе и низких сдвиговых напряжениях 1 (первая структуре соответствует широкая полоса ФЛ, состоястадия), а затем при низкой температуре и высоких щая из группы неразрешенных уширенных линий [1,5].

напряжениях 2 с последующим охлаждением в нагруОдной из возможных причин появления такого спектра женном состоянии почти до комнатной температуры ДФЛ могло бы быть присутствие квазиравновесных (вторая стадия). В спектрах ФЛ, измеренных при 4.2 K 60 дислокаций с разными значениями ширины ДУ.

на образцах германия после второй стадии деформации, Целью настоящей работы является проверка этого преднаблюдается четырнадцать закономерно расположенных положения.

линий шириной 3 meV, энергия максимумов En которых увеличивается с ростом в соответствии с n эмпирической формулой, приведенной в [3]. Эти ли- 2. Методика эксперимента нии обусловлены излучением 90 частичной дислокации Шокли в составе 60 расщепленной дислока- Для исследований использовались монокристаллы ции, а потенциал 30 частичной дислокации Шокли германия n-типа с концентрацией химических доноров является возмущением, величина которого зависит от (сурьма) 1014 cm-3. Для изучения деформации вырасстояния. Номер линии связан с шириной ДУ резались параллелепипеды, ограниченные плоскостями n соотношением n =( /a) - 6, где a = 0.346 nm — шаг {110}, {118} и {441} (группа I) или {110}, {001} n изменения. В этих спектрах линия с номером n = 8 и {110} (группа II). Плоскость {118} наклонена под n и энергией E8 = 0.513 eV, названная линией d8, соот- углом 10 к плоскости {001}. Поэтому при небольветствует равновесному значению, а каждая линия ших нагрузках в первом случае активной была одна с номером n = 8 — определенному неравновесному плоскость скольжения {111}, а во втором — две эк („замороженному“) значению. При увеличении n вивалентные плоскости скольжения {111}. Кристаллы n 28 С.А. Шевченко, А.Н. Терещенко Энергии En для некоторых номеров n из [2] и энергии Em гауссианов для спектров на рис. 2-5 (энергии приведены в meV) n m Энергия 4 5 6 7 8 9 10 11 12 16 1 2 En 477.6 488.8 498.2 506.2 512.9 518.6 523.5 527.6 531 540.6 Em (рис. 2) 477.6 488.8 502.5 507.9 513.2 517.4 523.2 530 541.5 550 557 565 Em (рис. 3) 478.1 489 500.8 506.2 512.4 518.6 524 530.5 540 550 557.5 565 Em (рис. 4) 479.1 492.2 501.8 506.3 512.4 517.6 523.5 531.3 541 551 557.4 565.4 575.Em (рис. 5) 488.8 498.2 506.2 517.7 523.5 527.5 540 550 556 565.3 573.деформировались четырехточечным изгибом вокруг оси не изменяет соотношения интенсивностей этих макси 110 при температуре Td = 430C. На плоскости {118} мумов. Положение более слабых максимумов и изломов и {001} вдоль длинной грани наносилась царапина, справа от линии d8 на рис. 2-4 и в спектрах других которя была источником дислокаций в виде полугекса- образцов совпадает. Экситонная ФЛ регистрировалась гонов. Под действием приложенного напряжения полу- только в образце с ND 104 cm-2.

гексагоны двигались в глубь кристалла и расширялись.

Спектры ДФЛ, полученные в данной работе и [1], Для обеих геометрий деформируемых кристаллов дно были разложены на гауссовы линии. Исходные значения полугексагона представляет собой 60 дислокацию, что энергий максимумов Em отдельных линий задавались позволяет получить вблизи нейтральной плоскости в (фиксировались) с учетом положения максимумов и изосновном 60 дислокации, расположенные вдоль оси ломов на экспериментальных кривых, причем для энеризгиба 110. По окончании деформации кристаллы гий E < E = 0.55 eV подбирались значения En, соотохлаждались до комнатной температуры в разгруженном ветствующие некоторым неравновесным величинам n состоянии. После химического травления и подсчета для узких линий из работы [2], которые приведены в плотности дислокаций из деформированных кристаллов таблице. Оказалось, что проанализированные спектры вырезались образцы для исследования ФЛ при 4.2K.

можно описать совокупностью 8-13 гауссовых линий ФЛ возбуждалась фотонами с длиной волны = 920 nm со значениями Em, отвечающими оптимальному совпа(которые генерировались лазером на основе арсенида дению экспериментальной и суммарной аппроксимиругаллия при мощности 1 W/cm2) и измерялась в инющей кривых. Из таблицы следует, что разброс значетервале энергий 0.47-0.73 eV с помощью стандартной фазочувствительной методики с охлаждаемым германиевым фотосопротивлением в качестве детектора при оптической ширине щели монохроматора 3.3 meV [1–3].

3. Экспериментальные результаты Как видно из рис. 1 и 2, в образцах германия с квазиравновесными 60 дислокациями линия d8 с энергией 0.513 eV доминирует в спектрах ДФЛ при относительно небольших (ND = 3 · 105 cm-2) плотностях дислокаций. Подобный спектр наблюдался и в образце с ND 104 cm-2, но интенсивность линии d8 была значительно ниже. О присутствии других (менее интенсивных) линий свидетельствуют изломы и слабые максимумы в спектрах слева и справа от линии d8, что более отчетливо выражено в образце с двумя активными плоскостями скольжения (рис. 2). При увеличении плотности дислокаций возрастает интенсивность плеча слева от линии d8. Это приводит к появлению еще одного максимума, амплитуда которого при ND = 5 · 106 cm-2 немного меньше амплитуды максимума с энергией 0.513 eV (рис. 3) и растет при дальнейшем увеличении ND (этот спектр мы не приводим). Два доминирующих максимума в окрестности линии d8 наблюдаются и после отжига деформационных точечных дефектов при 680C в образце Рис. 1. Спектр ФЛ в образце № 1 группы I с с ND = 5.5 · 106 cm-2 (рис. 4). Такой отжиг существенно ND = 3 · 105 cm-2.

Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. Фотолюминесценция в германии с квазиравновесной дислокационной структурой Рис. 2. Спектр ФЛ в образце № 1 группы II с Рис. 4. Спектр ФЛ в образце № 3 группы I после отжига ND = 3 · 105 cm-2. 1 — экспериментальные точки, 2 —сум- при 680C (ND = 5.5 · 106 cm-2). Обозначения те же, что и на марная аппроксимирующая кривая, 3, 4 — гауссианы с энер- рис. 2.

гиями En 0.55 eV и Em > 0.55 eV соответственно, 5 —линия d8.

Рис. 3. Спектр ФЛ в образце № 2 группы I с Рис. 5. Спектр ФЛ в образце с ND = 1 · 107 cm-2 после отжига ND = 5 · 106 cm-2. Обозначения те же, что и на рис. 2.

при 680C, взятый из работы [4]. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. 30 С.А. Шевченко, А.Н. Терещенко ний Em для разных образцов и различие значений En и 2) В процессе пластической деформации германия соответствующих значений Em в основном не превыша- при 430C генерируются также акцепторные центры, ют 2 meV. Поэтому линиям с энергиями Em 0.55 eV создающие мелкие ( 0.04 eV) уровни вблизи потолка приписаны те же номера, что и для неравновесного валентной зоны, которые представляют собой примеси или их комплексы с вакансиями и междоузельными случая [2,3], а линиям с энергиями E > E — номера m = 1, 2 и 3. Из рис. 2-4 видно, что ширина большин- атомами и называются деформационными точечными дефектами (ТД) [8]. При ND 107 cm-2 концентрация ства линий в 2-3 раза больше ширины линии d8.

этих дефектов достигает значения 1016 cm-3 и уменьРезультаты, представленные на рис. 2-4, показывают, шается после отжига образцов в интервале температур что при увеличении плотности дислокаций изменяется 400-700C. В присутствии деформационных ТД ширина соотношение между интенсивностями гауссовых линий.

ДУ для дислокаций, близких к винтовой ориентации, Максимум слева от линии d8 на рис. 3 и 4 появляется изувеличивается до значения 60 nm, а после их отза усиления линии d7. Согласно [1], в деформированных жига при 520C уменьшается до расчетного значения образцах германия n-типа после отжига при 680C 30 nm. Поскольку винтовая дислокация расщеплена на энергии максимумов длинноволновой доминирующей две 30 частичные дислокации Шокли, аномально больполосы I в спектрах ФЛ равны 0.513, 0.506 и 0.5 eV при шое расщепление обусловлено с большой вероятностью ND = 2.5 · 105, 2.5 · 106 и 1 · 107 cm-2 соответственно.

взаимодействием ТД с этими частичными дислокациями.

Разложение этих спектров на гауссовы линии показаТогда нельзя исключить некоторого влияния ТД и на ло, что в первом образце доминирует линия d8, во ширину ДУ 60 дислокаций, расщепленных на 30 и втором — d7, а в третьем (рис. 5) сильно возросла частичные дислокации Шокли. Из рис. 5 работы [8] видинтенсивность линии d6, а линия d8 вообще отсутствует.

но, что максимальный разброс измеренных значений С учетом спектров, полученных в данной работе, это для 60 дислокаций наблюдается в случае аномально означает, что по мере возрастания плотности дислокабольшого расщепления дислокаций, близких к винтовой ций сначала усиливается линия d7, а затем и линия d6, ориентации. Однако небольшое число экспериментальт. е. идет „перекачка“ рекомбинационного излучения в ных точек и большая ошибка определения (±0.9nm длинноволновые компоненты.

при шаге изменения, равном 0.346 nm) не позволяют Усилению относительной интенсивности линий с использовать эти данные как доказательство влияния m = 1, 2 и 3 при энергиях E > 0.55 eV способствудеформационных ТД на ширину ДУ 60 дислокаций. По ют увеличение числа активных плоскостей скольжения данным [8–10], средние значения для 60 дислокаций (рис. 2) и (в согласии с [1]) отжиг деформированных в германии равны 4.9, 4.6 и 3.9 nm соответственно.

образцов при температуре 680C (рис. 4).

3) В идеальных кристаллах равновесное значение достаточно длинных прямолинейных отрезков 60 полных дислокаций определяется балансом энергий ДУ и 4. Обсуждение результатов упругого отталкивания между 30 и 90 частичными дислокациями Шокли, так что после второй стадии О реальности присутствия прямолинейных отрезков деформации величина должна зависеть только от веn квазиравновесных 60 расщепленных дислокаций с различины сдвигового напряжения 2 [4]. Однако в реальных ными значениям в ковалентных полупроводниках кристаллах кремния и германия каждому фиксированносвидетельствуют следующие факты.

му значению 2 соответствует некий набор измеренных 1) Методом просвечивающей электронной микроскозначений (вместо одного значения) [4,10]. При этом n пии в слабых пучках доказано, что в пластически дефорхарактер изменения величины для 60 дислокаций n мированных кристаллах германия и кремния расщеплензависит от того, является ли 90 частичная дисклокация ные отрезки квазиравновесных дислокаций разделены Шокли лидирующей (PK) или ведомой (PU): дислокастяжками ДУ, которые в большинстве случаев представции PK расширены, а PU сужены по сравнению со ляют собой ступеньки разной высоты, а иногда — отреззначением. Эти факты были объяснены разной поки нерасщепленных дислокаций [6–8]. На электроннодвижностью лидирующей и ведомой дислокаций, причем микроскопических изображениях дислокаций в германии подвижность 90 частичной дислокации Шокли выше при ND > 107 cm-2 видно много расщепленных отрезков подвижности 30 частичной дислокации. По мнению длиной 10-100 nm. В [6] наблюдали локальные сужение авторов, одной из причин более низкой подвижности и расширение ДУ вдоль расщепленных отрезков, посто- 30 частичной дислокации Шокли может быть сложянство величины для отрезков длиной больше некото- ная структура ее ядра, предполагающая присутствие рой критической длины Lc и постепенное уменьшение собственных ТД (по данным электронной микроскопии при L < Lc из-за линейного натяжения частичных дис- высокого разрешения). О разбросе значений после n локаций. Для краевых расщепленных дислокаций были второй стадии деформации при определенном значеопределены Lc 100 nm, а также = 4.8 ± 0.6nm при нии 2 свидетельствует также наблюдение нескольких L > 100 nm и 3.0nm при L 20 nm. Таких данных для (вместо одной) узких линий в спектрах ДФЛ образцов 60 дислокаций авторы не привели. германия, содержащих деформационные ТД [2,3].

Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. Фотолюминесценция в германии с квазиравновесной дислокационной структурой 4) Закрепление одной ведомой частичной дислокации то спектры ДФЛ отражают распределение значений на некоторых препятствиях способствует образованию для 60 полных дислокаций в реальных деформированотрезков 60 дислокаций с большими ( 100 nm) значе- ных кристаллах. Для выяснения природы трех линий ниями [4]. с энергиями E > 0.55 eV требуются дополнительные 5) В пластически деформированных кристаллах крем- исследования.

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.