WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Светоизлучающие структуры Si : Er, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии: влияние условий эпитаксиального роста на концентрацию примесей и фотолюминесценцию © Н.А. Соболев, Д.В. Денисов, А.М. Емельянов, Е.И. Шек, Б.Я. Бер, А.П. Коварский, В.И. Сахаров, И.Т. Серенков, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин, Т.В. Котерева Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru Исследована технология и свойства светоизлучающих структур на основе легированных эрбием в процессе молекулярно-лучевого эпитаксиального роста слоев кремния. В процессе эпитаксии на подложках, изготовленных из выращенного методом Чохральского кремния, происходит легирование растущего слоя примесями кислорода и углерода. Это позволяет упростить процесс легирования слоя Si : Er примесямиактиваторами люминесценции, исключив встраивание в ростовую камеру специального капилляра для введения их из газовой фазы. В фотолюминесцентных спектрах всех исследуемых слоев при 78 K доминирует Er-содержащий центр с длиной волны в максимуме излучения 1.542 µm. Зависимости интенсивности этой линии в исследуемых интервалах температур подложки (400–700C) и источника примеси эрбия (740-800C) представляют собой кривые с максимумами. Наблюдавшиеся в спектрах ФЛ линии краевой люминесценции и P-линия главным образом возбуждаются в подложке. Измеренная методом обратного резерфордовского рассеяния протонов концентрация атомов эрбия в выращенных при температуре подложки 600C эпитаксиальных слоях характеризуется экспоненциальной зависимостью от температуры источника эрбия с энергией активации 2.2eV.

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 эффузионной ячейки, содержащей металлический Er.

В качестве подложек применялись полированные Для создания светоизлучающих структур на основе пластины n-Cz-Si с (100) ориентацией поверхности монокристаллических слоев Si : Er широко используются и = 4.5 · cm. Эпитаксиальный рост проводился методы ионной имплантаци и молекулярно-лучевой эпи- при постоянной температуре подложки в интервале таксии (МЛЭ) [1]. Основное достоинство МЛЭ-техноло- TSi = 400-700C, скорости осаждения 0.26–0.70 /s гии заключается в возможности прецизионного регули- и давлении остаточных газов в ростовой камере не рования концентрационных профилей различных приме- выше 8 · 10-9 Torr. Для максимального выглаживания исходной поверхности предварительно выращивался сей. В то же время достаточно сложное оборудование, отличающееся различными конструктивными реализа- тонкий (100-300 ) буферный слой нелегированного Si. Концентрация Er в МЛЭ-слое изменялась путем циями метода МЛЭ, приводит к ряду особенностей в варьирования рабочей температуры источника эрбия свойствах светоизлучающих структур. Цель настоящей (TEr) от 740 до 800C. Анализ динамики картин работы состоит в исследовании влияния условий эпитакдифракции быстрых электронов на отражение сиального роста на концентрацию примесей в растущем показал, что при выбранных технологических условиях МЛЭ-слое Si : Er и спектры фотолюминесценции (ФЛ) наблюдается двумерный характер роста слоев Si : Er.

при низкой по сравнению с эрбием концентрации приТолщина слоев достигала 1.3 µm. МЛЭ-слои имели месей кислорода и углерода.

n-тип проводимости.

Концентрации примесей кислорода в межузельном 2. Экспериментальные условия положении (Oi) и углерода в узельном положении (Cs) в пластине-источнике кремния для МЛЭ МЛЭ-слои Si : Er выращивались на установке и пластине-подложке перед эпитаксиальным ростом SUPRA-32 (RIBER). Для получения потока Si определялись по максимуму поглощения линий использовался электронно-лучевой испаритель с и 605 cm-1 в спектрах ИК-поглощения, снятых с разремишенью из выращенного методом бестигельной шением 1 cm-1 на Фурье-спектрометре IFS-113 Bruker зонной плавки кремния n-типа проводимости (n-FZ-Si) с с CdxHg1-x Te-детектором в диапазоне 500-1600 cm-удельным сопротивлением = 2 · cm. Поток атомов при комнатной температуре. Использовались калибредкоземельного элемента создавался с помощью ровочные коэффициенты 3.14 · 1017 cm-2 для кислороСветоизлучающие структуры Si : Er, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии: влияние... да [2] и 8.2 · 1016 cm-2 для углерода [3]. Оказалось, что [Oi] < 8 · 1015 cm-3 и [Cs ] < 5 · 1016 cm-3 в FZ-Si и [Oi] =(1.1 ± 0.3) · 1018 cm-3 и [Cs] =(5 ± 3) · 1016 cm-в Cz-Si. Концентрационные профили примесей Er, C и O измерялись методом вторичной ионной массспектрометрии (SIMS) на установке Cameca IMF 4F.

Обратное резерфордовское рассеяние (RBS) протонов с энергией 231 keV в случайном и каналирующем режимах использовалось для изучения структурного совершенства эпитаксиальных слоев и концентрации атомов Er. Измерение спектров ФЛ с разрешением 7 nm проводилось при температуре 78 K. ФЛ возбуждалась видимым излучением от галогенной лампы мощностью 50 mW, механически прерываемым с частотой 36 Hz. Излучение от образца собиралось линзой и после прохождения через монохроматор МДР-23 регистрировалось InGaAs-фотоприемником, работающим при 300 K.

Рис. 2. SIMS-концентрационные профили примесей Er (1), 3. Результаты и обсуждение O (2) и C(3).

О высоком структурном качестве МЛЭ-слоев свидетельствуют данные RBS: относительный выход рассеНа рис. 2 приведены измеренные методом SIMS яния протонов (отношение отсчетов в каналирующем концентрационные профили примесей Er, C и O для и случайном режимах RBS-измерений для каналов за МЛЭ-образца № 167, выращенного при TSi = 600C поверхностным пиком) находится на уровне значений и TEr = 785C. Обращает на себя внимание тот факт, в Si-монокристаллах. Зависимость измеренной RBS что концентрации примесей [O] 2.0 · 1018 cm-3 и = методом концентрации атомов эрбия от температуры [C] 3.0 · 1017 cm-3 в подложке несколько выше значе= эффузионной ячейки в МЛЭ-слоях, выращенных при ний, используемых при производстве микроэлектронных температуре подложки 600C, приведена на рис. 1.

приборов. Не удивительно, что измеренные методами Вычисленное значение энергии активации этой завиSIMS и ИК-поглощения концентрации примесей кислосимости составило 2.2 eV. Близкое значение энергии рода и углерода в подложках различаются, поскольку наблюдалось в работе [4], в которой использовалась методом SIMS определяется полная концентрация присущественно более высокая (800-1200C) температура месей, а при ИК-поглощении — лишь концентрация эффузионной ячейки при МЛЭ-росте слоев Si : Er.

примесей в межузельном (Oi) или узельном (Cs) положениях в решетке кремния. Кислород и углерод могли попасть в эпитаксиальный слой как из газовой среды внутри ростовой камеры, так и из кремниевой подложки.

Факторы, ответственные за увеличение в 1.6раза концентрации этих примесей в эпитаксиальном слое Si : Er по сравнению с подложкой, предстоит выяснить.

На рис. 3 (кривая 1) приведен спектр ФЛ в МЛЭ-структуре Si : Er № 189, выращенной при TSi = 600C и TEr = 785C. В спектре ФЛ доминируют три пика: пик с длиной волны в максимуме излучения m 1.542 µm, обусловленный излучательными перехо= дами ионов Er3+ из первого возбужденного состояния 4 I13/2 в основное состояние I15/2; пик при m 1.62 µm = и пик краевой люминесценции с m 1.13 µm. В спек= трах ФЛ всех наших МЛЭ-образцов максимальная интенсивность наблюдается для линий с m = 1.542 µm.

Аналогичные Er-содержащие спектры наблюдались в образцах, имплантированных ионами эрбия и углерода [5,6] или выращенных методом сублимационной МЛЭ [7]. Отметим, что в спектрах имплантированных Рис. 1. Зависимость концентрации Er от температуры эффуионами эрбия и кислорода образцов обычно наблюзионной ячейки.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 110 Н.А. Соболев, Д.В. Денисов, А.М. Емельянов, Е.И. Шек, Б.Я. Бер, А.П. Коварский, В.И. Сахаров...

(TEr = 785C). При дальнейшем увеличении концентрации эрбия в спектре ФЛ линий Er-содержащих центров и краевой люминесценции не наблюдается. В этих образцах методом просвечивающей электронной микроскопии выявлены дефекты очень необычной формы, природу которых предстоит установить. Интенсивность ФЛ Er-содержащего центра в МЛЭ-слоях сопоставима с интенсивностью Er–O-содержащего центра в имплантированных ионами Er и O образцах.

Зависимости интенсивностей ФЛ трех доминирующих линий в спектрах исследуемых образцов от температуры подложки при фиксированной температуре источника эрбия TEr = 785C показаны на рис. 5. Отсутствие зависимости интенсивности краевой ФЛ от температуры подложки в процессе эпитаксиального роста свидетельствует об одинаковом уровне возбуждения люминесценции в МЛЭ-слоях. Линия с m 1.62 µm, получившая в = литературе название P-линии (или линии 0.767 eV), принадлежит центру, содержащему углерод и кислород и Рис. 3. Спектры ФЛ в МЛЭ-структуре Si : Er (TSi = 600C и образующемуся после отжига кремния при температуре TEr = 785C) (1) и в имплантационной Si : Ho-структуре (2).

450C [8,9]. Наблюдаемая корреляция интенсивностей Er-содержащей и P-линий является дополнительным свидетельством в пользу того, что примесь углерода принимает непосредственное участие в образовании этих центров. P-линия нами ранее наблюдалась после имплантации в n-Cz-Si ионов гольмия с энергиями E = 2.0 и 1.6 MeV и дозой D = 1 · 1014 cm-2 и кислорода с E = 290 и 230 keV и D = 1 · 1015 cm-2 и последующего отжига в режиме 620C/1 h (кривая 2 на рис. 3).

После удаления эпитаксиального слоя в структуре с интенсивными краевой, Er-содержащей и P-линиями ФЛ Er-содержащая линия не наблюдается, а интенсивности двух других линий практически не изменяются. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что ФЛ этих двух линий главным образом возбуждается в подложке.

Рис. 4. Зависимость интенсивности ФЛ Er-содержащей линии от температуры источника эрбия при фиксированной TSi = 600C.

даются Er–O-содержащие центры с m = 1.537 µm [1].

Приведенные выше данные SIMS-измерений являются дополнительным аргументом в пользу того, что в исследуемых МЛЭ-слоях образуются Er–C-содержащие оптически активные центры.

Зависимость интенсивности ФЛ Er-содержащей линии от температуры источника эрбия при фиксированной температуре подложки TSi = 600C представлена на рис. 4. Интенсивность нарастает с увеличениРис. 5. Зависимости интенсивностей ФЛ линий с ем концентрации редкоземельного элемента и дости- m 1.542 (1), 1.62 (2) и 1.13 µm (3) от температуры = гает максимального значения при [Er] 2 · 1019 cm-3 подложки при фиксированной TEr = 785C.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Светоизлучающие структуры Si : Er, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии: влияние... 4. Заключение Разработана технология получения светоизлучающих структур на основе легированных эрбием в процессе МЛЭ-роста слоев кремния и исследованы их свойства.

Энергия активации зависимости концентрации атомов эрбия в эпитаксиальном слое от обратной температуры эффузионной ячейки, содержащей металлический Er, составляет 2.2 eV. Установлено, что в процессе МЛЭ-роста происходит легирование эпитаксиального слоя Si : Er примесями углерода и кислорода. Это, повидимому, способствует формированию Er-содержащих оптически активных центров в процессе эпитаксиального роста слоя Si : Er. В спектрах ФЛ всех образцов доминирует Er-содержащий центр с длиной волны в максимуме излучения 1.542 µm. Наблюдаемые в спектре ФЛ линии краевой люминесценции и центра, содержащего примеси углерода и кислорода (P-линия), возбуждаются в подложке.

Авторы выражают благодарность В.И. Вдовину за проведение исследований структурных дефектов методом просвечивающей электронной микроскопии и Д.И. Крыжкову за обсуждение полученных результатов.

Список литературы [1] Н.А. Соболев. ФТП 29, 1153 (1995).

[2] DIN 50 438. Pt 1 (1993).

[3] ASTM F1391-92 (1992). P. 646.

[4] H. Efeoglu, J.H. Evans, T.E. Jackman, B. Hamilton, D.C. Houghton, J.M. Langer, A.R. Peaker, D. Perovic, I. Poole, N. Ravel, P. Hemment, C.W. Chen. Semicond. Sci. Technol. 8, 236 (1993).

[5] J. Michel, J.L. Benton, R.F. Ferrante, D.C. Jacobson, D.J. Eaglesham, E.A. Fitzgerald, Y.-H. Xie, J.M. Poate, L.C. Kimerling. J. Appl. Phys. 70, 5, 2672 (1991).

[6] F. Priolo, S. Coffa, G. Franzo, C. Spinella, A. Carnera, B. Bellany. J. Appl. Phys. 74, 8, 4936 (1993).

[7] В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, Е.А. Ускова, З.Ф. Красильник, Б.А. Андреев, М.В. Степихова. Изв. РАН Сер. физ. 64, 2, 353 (2000).

[8] N.S. Minaev, A.V. Mudryi. Phys. Stat. Sol. (a) 68, 561 (1981).

[9] G. Davies. Phys. Rep. 176, 176 (1989).

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.