WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Дефекты кристаллической структуры и холловская подвижность электронов в слоях Si : Er / Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии © В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова, В.Н. Шабанов, А.П. Касаткин, С.В. Седова, Г.А. Максимов, З.Ф. Красильник, Е.В. Демидов Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского Государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: lab10@phys.unn.runet.ru Определена холловская подвижность электронов и металлографическим методом исследована плотность дефектов кристаллической структуры в слоях Si : Er, выращенных при температурах 520-580C с помощью сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Введение эрбия в слои Si до концентрации 5 · 1018 cm-3 не сопровождалось увеличением плотности дефектов, но приводило к значительному уменьшению подвижности электронов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 01-0216439, 02-02-16773) и Минпромнауки РФ (госконтракты № 40.020.I.I.II61, 40.020.I.I.II59).

1. Введение 2. Методы получения и исследования слоев В связи с обнаружением фото- и электролюминесценции (ФЛ и ЭЛ) в структурах Si : Er / Si в диапазоне Эпитаксиальные слои (ЭС) Si : Er толщиной до 1.5-1.6 µm возникла потребность в более детальном 3 µm выращивались методом СМЛЭ при температуизучении их свойств и исследовании возможностей раз- рах 520-580C со скоростью 1-1.5 µm / h в вакууме (2-8) · 10-7 mbar на подложках Si(100), легированных ных методов получения структур.

бором (10 · cm). Более подробно о методе получения Ионная имплантация Er [1–4] — наиболее раси его возможностях сообщается в [7,8].

пространенный способ получения люминесцирующих Концентрация и холловская подвижность электронов структур Si. Хорошо известно использование методов в ЭС измерены методом ван-дер-Пау, распределение молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [5,6] и сублиманосителей по толщине — электрохимическим вольтционной МЛЭ (СМЛЭ) [7,8].

фарадным методом, распределение примесей, в частноВажным параметром, характеризующим качество кристи Er и O, — методом масс-спектрометрии вторичных сталла, является плотность дефектов кристаллической ионов (ВИМС). Важное преимущество метода СМЛЭ — структуры. Можно ожидать, что слои, имплантировозможность получать достаточно толстые слои. Это ванные ионами эрбия с большими энергиями, содерпозволило применить простой и надежный метод выжат значительную плотность дефектов, в частности явления дефектов — метод селективного травления с 108-1010 cm-2 дислокаций [3]. Исследование дефектов наблюдением в оптическом микроскопе МИИ-4 (300).

в СМЛЭ-слоях — одна из целей настоящей работы.

Распределение эрбия по толщине ЭС было одноРанее было показано [3,4], что возбуждение иона Er родным. Концентрация эрбия в слоях NEr составляв обратносмещенном p-n-переходе происходит посредла (2-5) · 1018 cm-3. Слои Si : Er имели n-тип провоством столкновения с горячими электронами. В данной димости. Во всех СМЛЭ-структурах наблюдалась ФЛ работе процессы столкновения электронов с комплекпри температуре T = 77 K; обратносмещенные диоды, сами эрбия в СМЛЭ-слоях Si : Er исследуются путем изготовленные их этих структур, обнаруживали ЭЛ анализа холловской подвижности µH. Исследования µH при 300 K [10].

в структурах Si : Er, полученных методом МЛЭ, нам неизвестны. Зависимость µH от концентрации доноров для слоев Si, имплантированных эрбием, приведена 3. Дефекты кристаллической в [9], однако уровень легирования эрбием был невелик структуры (2.5 · 1017 cm-3) по сравнению с оптимальным для ЭЛ:

NEr 1 · 1019 cm-3. Вероятно, поэтому изменения по- Дефекты исследовались в p-n-структурах, где p — движности µH при легировании эрбием в [9] не обнару- подложка, n — слой Si : Er. Типичное значение конценжено. Анализ холловской подвижности в СМЛЭ-слоях трации электронов в слое Si : Er n =(1.5-2) · 1016 cm-3.

Si : Er — вторая цель настоящей работы. Основными дефектами, которые наблюдались в опти7 100 В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова, В.Н. Шабанов, А.П. Касаткин, С.В. Седова, Г.А. Максимов...

ческом микроскопе после травления, были дислокации. зависит от концентрации кислорода NO и достигает при Их плотность 102-104 cm-2 обычно совпадала с плот- NO 1018 cm-3 максимального значения 1850 cm2/V · s ностью дислокаций в подложке. Это давало основание (для концентрации доноров < 1013 cm-3). Во всех наших предполагать, что дислокации в слой прорастают из СМЛЭ-слоях NO составляет 1019-1020 cm-3. Поэтому подложки. µH(n) для массивного Si на рисунке построена по данГраница слой–подложка выявлялась в оптическом ми- ным [14], согласно которым максимальная подвижность такая же, как в [13]. Такие же значения µH получались кроскопе при слабом избирательном травлении на грани и нами при исследованиях кристаллов n-Si с высоким скола (111) в виде тонкой линии. При более длительном содержанием кислорода, выращенных методом Чохральтравлении на сколе выявляются и дислокационные ямки.

ского.

Их плотность в наших слоях также не превышала Из рисунка видно, что: 1) во всем интервале кон104 cm-2, но обычно они отсутствовали.

центраций холловская подвижность электронов в ЭС Концентрация электронов в диодных структурах, поn-Si без Er совпадает с µH в монокристаллах n-Si;

лученных имплантацией Er при оптимальном значении 2) при одинаковых концентрациях электронов значения NEr 1019 cm-3, довольно велика: n 1018 cm-3. Предподвижности в слоях Si : Er в 1.5-3 раза ниже, чем в полагается, что донорами в них являются комплекслоях Si, не легированных Er, и в массивном Si. Уменьсы Er. В СМЛЭ-слоях Si : Er концентрация электронов шение µH в слоях Si : Er нельзя объяснить рассеянием на 1018 cm-3 получалась путем дополнительного легироваионизованной примеси. Для этого нужно предположить, ния P или Sb в процессе роста [8]. В СМЛЭ-слоях с что в этих слоях концентрации доноров и акцепторов такой концентрацией после травления дислокационные в десятки раз превышают измеренную концентрацию ямки не обнаруживались. Исчезновение ямок травления электронов. Это не согласуется с результатами анализа при концентрации электронов 1018 cm-3 наблюдалось n(T ). Уменьшение µH в слоях Si : Er не может быть и в сильно легированных СМЛЭ-слоях без Er [11], а обусловлено и дефектами кристаллической структуры, также в сильнолегированном массивном кремнии [12].

так как их плотность, как показано выше, невелика.

Уменьшение µH логично объяснить рассеянием на 4. Холловская подвижность комплексах Er. Под термином “комплекс эрбия“ мы электронов будем понимать пространственное образование, включающее атом эрбия и атомы окружащих его примесей.

Холловская подвижность электронов исследова- Значение µEr при 300 K, обусловленное рассеянием элеклась в слоях n-Si : Er, изолированных от подложки тронов только на комплексах эрбия, было определено из p-n-переходом. При выращивании таких слоев источ- выражения 1 1 никами атомов Er служили пластины, вырезанные из = -, (1) разных слитков Si : Er. Концентрация электронов в сло- µEr µexp µb ях составляла от 3 · 1015 до 6 · 1017 cm-3. Зависимость где µexp — измеренное значение подвижности в µH(n) в СМЛЭ-слоях Si : Er показана на рисунке.

слоях Si : Er, µb — подвижность в массивном Si Для сравнения приведены значения µH в СМЛЭ-слоях с той же концентрацией электронов. Значение µEr Si : P, Si : Sb, Si : As, не легированных Er, и в массивном при NEr = 4 · 1018 cm-3 в среднем составляет около n-Si. Поясним, как была выбрана µH(n) для массивного 500 cm2/V · s.

n-Si. По данным [13], значение µH в массивном n-Si При анализе механизма рассеяния электронов на комплексах Er были использованы две модели. В первой из них предполагалось, что примесный комплекс Er — это шар радиусом r0, рассеяние электронов упругое.

В этом приближении [15] 4eL µEr =, (2) 3 2mkT c L =, (3) r2NEr где L — длина свободного пробега электронов при рассеянии на комплексах Er, e — заряд электрона, m — эффективная масса проводимости, равная c 0.26m0 (m0 — масса электрона) [16]. Если принять NEr = 4 · 1018 cm-3 и µEr = 500 cm2/V · s из первой моЗависимость холловской подвижности от концентраии элек- дели следует, что L = 18 nm и r0 = 2.1 nm. Последняя тронов при 300 K для массивного Si (1) и слоев Si : P (2), величина много больше минимального расстояния, на Si : Sb (3), Si : As (4), Si : Er (5).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Дефекты кристаллической структуры и холловская подвижность электронов в слоях Si : Er / Si... котором могли бы находиться примесные атомы кис- [3] G. Franzo, S. Coffa, F. Priolo, C. Spinella. J. Appl. Phys. 81, 6, 2784 (1997).

лорода, окружающие атом эрбия. Такое значение r[4] S. Coffa, J. Franzo, F. Priolo, A. Pacelli, A. Lacaita. Appl. Phys.

может быть связано либо с деформацией кристаллиLett. 73, 1, 93 (1998).

ческой решетки вокруг комплекса Er, либо с тем, что [5] Y. Stimmer, A. Reittinger, J.F. Nutzel, G. Abstreiter, атомы примесей удалены от атома Er на расстояния, H. Holzbrecher, Ch. Buchal. Appl. Phys. Lett. 68, 23, существенно большие, чем межатомные.

(1996).

Во второй модели использовалась формула Эргинсоя [6] K. Serna, Jung H. Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman, для времени релаксации при рассеянии на нейтральной P.F. Alkemade. J. Appl. Phys. 79, 5, 2653 (1996).

примеси [17], с учетом которой [7] В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова. ФТП 34, 5, 519 (2000).

[8] Е.Н. Морозова, В.Б. Шмагин, З.Ф. Красильник, А.В. Антоe3m0 m 2 mµEr =, (4) нов, В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова. Изв. РАН. Сер. физ. 67, 20(h/2)3NEr m0 m c 2, 283 (2003).

[9] О.В. Александров, А.О Захарьин, Н.А. Соболев, Ю.А. Нигде m = 3(m m2 )1/3/(m-1 + 2m-1)m0 (m — продоль колаев. ФТП 36, 3, 379 (2002).

ная эффективная масса электрона, m — поперечная эф[10] M. Stepikhova, B. Andreev, V. Shmagin, Z. Krasil’nik, фективная масса электрона) [15], h — постоянная ПланN. Alyabina, V. Chalkov, V. Kuznetsov, V. Shabanov, V. Shenка, — диэлектрическая проницаемость. Предполагаетgurov, S. Svetlov, E. Uskova, N. Sobolev, A. Emel’yanov, ся, что центр рассеяния — водородоподобный нейтральO. Gusev, P. Pak. Матер. совещ. „Нанофотоника“.

ный атом, погруженный в среду с диэлектрической проН. Новгород (2001). С. 265.

ницаемостью. При NEr = 4 · 1018 cm-3 с помощью фор- [11] В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова, Т.Н. Сергиевская, В.В. Постмулы (4) получаем µEr = 810 cm2/V · s, что удовлетво- ников. Кристаллография 16, 2, 432 (1971).

[12] М.Г. Мильвидский, О.Г. Столяров, А.В. Беркова. ФТТ 6, рительно согласуется с величиной µEr = 500 cm2/V · s, 12, 3259 (1964).

найденной на основании (1). Согласно (4), [13] T.S. Glowinke, J.B. Wagner. J. Phys. Chem. Sol. 38, 9, T (1977).

L = 3.4 · 10-9 µEr, (5) [14] P.P. Debye, T. Kohane. Phys. Rev. 94, 3, 724 (1954).

300 K [15] А.М. Ансельм. Введение в теорию полупроводников. Гос.

где µEr измеряется в единицах cm2/V · s, L — в cm.

изд-во физ.-мат. лит., М.–Л. (1962). С. 305.

При µEr = 500 cm2/V · s, T = 300 K значение L = 17 nm.

[16] П.М. Баранский, В.П. Клочков, И.В. Потыкевич. ПолупроОно близко к полученному в первой модели. В данный водниковая электроника. Справочник. Наук. думка, Киев момент трудно отдать предпочтение одному из рассмот(1975). С. 157, 243.

ренных механизмов рассеяния электронов, необходимы [17] C. Erginsoy. Phys. Rev. 79, 6, 1013 (1950).

дальнейшие исследования.

5. Заключение Исследованы плотность дефектов и холловская подвижность электронов в ЭС Si : Er, выращенных методом СМЛЭ. Концентрация Er в слоях составляет до 5 · 1018 cm-3.

Найдено, что введение эрбия в слои кремния не сопровождается увеличением плотности дефектов кристаллической структуры. Наблюдаемая плотность дефектов (дислокаций) была невелика (102-104 cm-2) и совпадала с их плотностью в подложках Si.

Обнаружено, что холловская подвижность в слоях Si : Er значительно меньше, чем в слоях Si без эрбия при той же концентрации электронов.

ВИМС-измерения проведены в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и в Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).

Список литературы [1] H. Ennen, J. Schneider, G. Pomrenke, A. Axman. Appl. Phys.

Lett. 43, 10, 943 (1983).

[2] Н.А. Соболев. ФТП 29, 7, 1153 (1995).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 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.