WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2 Оптически активные слои кремния, легированного эрбием в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии © А.Ю. Андреев, Б.А. Андреев, М.Н. Дроздов, В.П. Кузнецов, З.Ф. Красильник, Ю.А. Карпов†, Р.А. Рубцова, М.В. Степихова, Е.А. Ускова, В.Б. Шмагин, H. Ellmer, L. Palmetshofer, K. Piplits††, H. Hutter†† Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт, Нижегородский государственный университет, 603600 Нижний Новгород, Россия † Институт химических проблем микроэлектроники, Москва, Россия Institute for Experimental Physics, University of Linz, A-4040 Linz, Austria †† Institute for Analytical Chemistry, Technical University of Vienna, Vienna, Austria (Получена 8 июля 1998 г. Принята к печати 5 августа 1998 г.) Исследованы электрические, оптические и структурные свойства слоев Si : Er, полученных в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Содержание Er и O в выращенных при 400 600Cслоях составляло до 5·1018 и4·1019 см-3 соответственно. Концентрация электронов при 300 K составляла 10% от полной концентрации эрбия, их подвижность до 550 см2/В · с. На всех структурах наблюдалась интенсивная фотолюминесценция на длине волны 1.537 мкм до 100 140 K. Структура оптически активных центров, связанных с Er, зависела от условий роста слоев.

1. Введение числе с -легированными слоями [5,6]. Цель настоящей работы — получение методом СМЛЭ эффективно Кремний, легированный эрбием, привлекает значиизлучающих слоев Si : Er и исследование их оптических тельное внимание в связи с тем, что для иона Er3+ и электрофизических характеристик. Представляет инте4 4 4 f -переход I13/2 I15/2 на длине волны 1.54 мкм рес исследование спектров фотолюминесценции (ФЛ) с лежит в спектральной области максимальной прозрачновысоким разрешением с целью идентификации оптичести и минимальной дисперсии кварцевого волокна. Для ски активных центров в СМЛЭ слоях, поскольку данные создания высокоэффективных светоизлучающих струкдля МЛЭ слоев отсутствуют, а имеющиеся спектры тур необходимо, чтобы концентрация эрбия превышаслоев Si : Er, выращенных химическим осаждением из ла 1018 см-3 [1]. Перспективным методом получения газовой фазы (CVD) [9], существенно отличаются от слоев Si : Er является молекулярно-лучевая эпитаксия таковых для имплантированного Si.

(МЛЭ), позволяющая выращивать высоколегированные структуры (в том числе многослойные) с малой плотностью структурных дефектов, излучающие на длине 2. Эксперимент волны 1.54 мкм [2–4].

Одним из интересных и новых для данной проблемы Структуры Si : Er выращивались в вакууме при оставариантов МЛЭ является сублимационная молекулярноточном давлении 2 · 10-7 мбар на подложках Si (100) лучевая эпитаксия (СМЛЭ). Ее особенность — полуn- и p-типа проводимости с удельным сопротивленичение молекулярных потоков Si и легирующей примеси ем 0.005 и 10 Ом · см. В качестве сублимирующих путем сублимации разогретого током кристаллическоисточников Si и Er использовались кристаллические го источника Si, легированного заданной примесью, в пластины, вырезанные из слитков Si : Er с содержанием частности эрбием [5–7]. Прямой резистивный нагрев Er и O до 5 · 1020 и 1019 см-3 соответственно.

источника обеспечивает высокую чистоту молекулярных По данным инфракрасной спектроскопии фотопроводипотоков, что позволяет получать кремниевые слои с мости и поглощения основной электрически активной минимальным числом дефектов и большим временем примесью, определявшей тип проводимости источников, жизни неосновных носителей заряда [6,8]. Ранее нами было показано, что в процессе СМЛЭ можно воспро- являлся бор (концентрация n 1015 см-3). Источник изводимо выращивать как однородно легированные со- и подложка нагревались резистивно. Температура роста вершенные монокристаллические слои Si с концентра- варьировалась от 400 до 700C, толщина слоев — от 0.цией электрически активных мелких примесей (P, As, до 3 мкм. Детали методики выращивания изложены в [6].

Sb, B, Al) 2 · 1013 4 · 1020 см-3, так и структуры Дополнительный отжиг структур проводили в вакууме с заданным сложным профилем легирования, в том или в потоке водорода.

Оптически активные слои кремния, легированного эрбием в процессе сублимационной... Распределение атомов примесей по толщине слоев и кислорода в слоях по данным ВИМС составляло измерялось методами вторично-ионной масс-спектро- 1018 и 1019 см-3 соответственно. Таким образом, метрии (ВИМС) и спектроскопии обратного рассея- концентрация электронов в слоях составляла 10% ния Резерфорда (ОРР). Кристаллическое совершенство от полной концентрации эрбия. Это значение степени слоев исследовалось методом ОРР [10] и металлогра- электрической активации сравнимо с данными для имфическим методом. Концентрация носителей заряда и плантированных Er слоев Si с близким содержанием их распределение по толщине слоев определялись хол- кислорода [11]. В селективно легированных слоях Si : Er ловским и вольт-фарадным методами. Энергетические распределения электрически активных центров (данные уровни в запрещенной зоне исследовались в диапазоне вольт-фарадных измерений) коррелировали с таковыми температур 50 350 K методом релаксационной спек- для полного числа атомов Er (данные ВИМС), что подтроскопии глубоких уровней (DLTS). Спектры фото- тверждает связь возникающих в слое донорных центров люминесценции исследовались на фурье-спектрометре с атомами эрбия.

”Bomem” DA3.36 (InSb-детектор) со спектральным раз- На рис. 1 показаны ВИМС профили атомов Er и O решением до 0.5 см-1. В качестве источника возбужда- в однородно легированном при 600C слое Si. Резкость ющего излучения использовали Kr+-лазер (длина волны концентрационного перехода пленка–подложка (конценизлучения = 647 нм). трация Er изменяется на 2 порядка на толщине 35 нм) свидетельствует об отсутствии сегрегации Er на поверхности роста, что согласуется с данными [2,3] для Si, 3. Результаты и обсуждение полученного МЛЭ. С другой стороны, при температуре подложки 700C проявлялась сегрегация Er. Заметим, Все выращенные слои Si : Er имели n-тип проводимочто кислород мог попасть в эпитаксиальный слой как сти независимо от параметров подложки и характера из газовой среды внутри вакуумной камеры, так и из термообработки (с отжигом при 900C или без него).

источника Si : Er.

Холловская концентрация электронов при 300 K в одЭтот же слой был исследован методом ОРР. Мининородно легированных при 400 600C слоях состамумы выхода рассеянных ионов He+ (энергия 400 кэВ) вляла (2 4) · 1017 см-3 (после отжига при 900C), а в режиме каналирования в направлениях оси 100 и подвижность 340 550 см2/В · с. Содержание эрбия плоскостей {110} и {100} составили 5, 27 и 35% соответственно, что свидетельствует о кристаллическом совершенстве слоя. Это подтверждают и данные металлографических исследований — в слоях Si : Er толщиной 3 мкм дефектов упаковки и дислокаций обнаружено не было.

На рис. 2 приведены спектры ФЛ при температуре T = 4.2 K двух структур с однородно легированными в процессе СМЛЭ при 400 (1) и 500C (2, 3) слоями Si : Er.

Во всех структурах наблюдается интенсивный спектр ФЛ вблизи 1.54 мкм, обусловленный Er, и сигнал экситонной люминесценции (на рис. 2 не показан). Спектр ФЛ образца, полученного при температуре 400C, имеет сложную структуру даже после отжига. Спектр представлен интенсивными линиями с волновыми числами 6502.и 6429.2 см-1 (рис. 2, спектр 1) и множеством предельно узких линий в диапазоне длин волн 6506.86551.4см-1.

Это свидетельствует о наличии нескольких оптически активных Er-центров с низкой симметрией. По данным [12], линии в высокоэнергетичной области спектра могут быть связаны со сложными комплексами Er с кислородом.

Спектр ФЛ неотожженного образца (рис. 2, спектр 2), выращенного при 500C, представлен множеством интенсивных узких линий в диапазоне 1.525 1.57 мкм (6557 6369 см-1). Существующие для имплантированных слоев данные позволяют выделить лишь одну серию линий, относящуюся к центру, обозначенному в [12] как Er–O1 : 6508, 6474 и 6441 см-1. Отжиг образца в Рис. 1. Распределение атомов эрбия и кислорода (данные атмосфере водорода при 900C в течение 30 мин привоВИМС) по толщине d слоя Si, выращенного на подложке дит к формированию нового доминирующего Er-центра, Si(100) при 600C. Отсчет толщины — от свободной поверхпредставленного серией узких линий 6502, 6443, 6393, ности слоя.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 158 А.Ю. Андреев, Б.А. Андреев, М.Н. Дроздов, В.П. Кузнецов, З.Ф. Красильник, Ю.А. Карпов...

Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (PL) слоев Si : Er, полученных СМЛЭ: 1 — однородно легированный слой, выращенный при 400C и отожженный в вакууме при 900C в течение 30 мин; 2 — однородно легированный слой, выращенный при 500C, не отожженный; 3 —то же, что 2, но после отжига в течение 30 мин в атмосфере водорода при 900C. Стрелками показаны серии линий, соответствующих оптически активным центрам, связанным с эрбием.

6342, 6337 и 6268 см-1 (серия D — стрелки на спек- По количеству линий, их положению и относительтре 3), и уменьшению относительной интенсивности ным интенсивностям серия D, отражающая структуру серии Er–O1 (отмечена звездочками). Заметим, что в расщепления мультиплета I15/2, не имеет аналога среди данном спектре отсутствует так называемая дислокаци- экспериментальных данных для хорошо исследованных онная люминесценция, проявляющаяся в виде фонового ионно-имплантированных слоев Si и не может быть сигнала в области 1.54 мкм, характерная для слоев с отнесена к какому-либо из идентифицированных в [12] большим содержанием дефектов структуры. оптических центров, связанных с Er. С другой стороны, Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Оптически активные слои кремния, легированного эрбием в процессе сублимационной... Рис. 3. Спектр глубоких уровней в слое Si, однородно легированном Er до 5 · 1017 см-3. Концентрация носителей при T = 300 K равна 8 · 1016 см-3.

этот спектр весьма близок к экспериментальному спек- совпадали со спектром 3 на рис. 2 (независимо от тру ФЛ, приведенному в [9] для полученного методом отжига).

газофазной эпитаксии слоя Si : Er. Остается открытым Температурные зависимости интенсивности ФЛ для вопрос лишь о природе широкого пика 6513 см-1, на- однородно легированных при 400 и 600C слоев Si : Er блюдаемого авторами [9]. В наших спектрах интен- показывают температурное гашение ФЛ при темперасивная линия на этой частоте отсутствует. Применение турах 90 и 140 K соответственно. Для образца, выфурье-спектрометра и высокое качество слоев Si : Er ращенного при 600C, процесс температурного гашепозволили нам реализовать спектральное разрешение ния хорошо описывается двумя участками с энергиями 1см-1 и наблюдать дублет 6337 и 6342 см-1, пред- активации 13 и 60 мэВ. Первое значение (диапасказанный, но не обнаруженный экспериментально в [9], зон температур 30 80 K) близко к соответствующим для иона Er3+ в состояниях с точечной симметрией величинам как для имплантированных [12,13], так и D2d и C3v. Сопоставляя спектр 3 на рис. 2 с резуль- для МЛЭ слоев Si : Er [14]. Для области температатами расчета положения и относительных интенсив- тур T > 80 K в работе [12] приводились значения ностей линий ФЛ, приведенными в [9], мы видим, что энергии активации 80 100 мэВ, т. е. несколько больсерия D наиболее близка к переходам, соответствую- шие 60 мэВ.

щим центру с точечной симметрией D2d. Вместе с В настоящей работе впервые исследовались спектры тем, полученные спектры ФЛ и данные ОРР об угло- DLTS глубоких уровней, обусловленных введением эрвых зависимостях рассеяния не определяют однознач- бия в СМЛЭ слои Si. Наблюдается серия линий с но положение (замещение или внедрение) атомов Er энергией ионизации Ei = 0.15 0.3эВ, так же как и в кристалле. для имплантированных структур (рис. 3). В то же время В слоях Si : Er, осажденных при более высокой тем- отсутствуют интенсивные линии в высокотемпературной пературе — 600C и отожженных при 900C в ва- части спектра (Ei 0.48 эВ), характерные для имплантикууме, наблюдался спектр ФЛ, близкий к показанно- рованных слоев Si : Er [12,15]. Поскольку в тех и других му на рис. 2 (спектр 3). Спектры многослойных структурах наблюдается ФЛ, можно предположить, что структур, состоящих из тонких сильно легированных уровни с Ei 0.48 эВ не ответственны за процесс слоев Si : Er, выращенных при пониженной температу- возбуждения ФЛ и соответствуют сложным дефектноре (400 500C), и толстых (много большей тол- примесным комплексам, возникающим при имплантащины) нелегированных слоев, осажденных при 700C ции Er.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 160 А.Ю. Андреев, Б.А. Андреев, М.Н. Дроздов, В.П. Кузнецов, З.Ф. Красильник, Ю.А. Карпов...

4. Заключение Optically active layers of silicon doped with erbium during sublimational molecular Методом СМЛЭ получены слои Si : Er, эффективно beam epitaxy излучающие на длине волны 1.54 мкм. В структурах достигнут уровень легирования Er 5 · 1018 см-3, концен- A.Yu. Andreev, B.A. Andreev, M.N. Drozdov, трация электронов при этом составила 10% от полной V.P. Kuznetsov, Z.F. Krasil’nik, Yu.A. Karpov†, концентрации эрбия, их подвижность 300 550 см2/В · с.

R.A. Rubtsova, M.V. Stepikhova, E.A. Uskova, В спектрах ФЛ выделены: серия линий, принадлежаV.B. Shmagin, H. Ellmer, L. Palmetshofer, щая известному для имплантированных Er слоев центру K. Piplits††, H. Hutter†† Er–O1, и новая серия интенсивных узких линий 6502, Institute for Physics of Microstructures, 6443, 6393, 6342, 6337 и 6268 см-1, которая предполоRussian Academy of Sciences, жительно может быть отнесена к центру Er в состоянии 603600 Nizhny Novgorod, Russia с точечной симметрией D2d.

Physical-Technical Research Institute, Nizhny Авторы благодарны А.В. Мурелю за помощь в провеNovgorod University, дении DLTS-измерений.

603600 Nizhny Novgorod, Russia Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 98† Institute for Chemical Problems of Microelectronics, 02-16619, 96-02-19283, 96-03-32581) и МНТП ”ФундаMoscow, Russia ментальная спектроскопия” (проект 08.02.043).

Institute for Experimental Physics, University of Linz, A-4040 Linz, Austria †† Список литературы Institute for Analytical Chemistry, Technical University of Vienna, [1] Y.-H. Xie, E.A. Fitzgerald, Y.J. Mii. J. Appl. Phys., 70, Vienna, Austria (1991).

[2] J. Stimmer, A. Reittinger, J.F. Ntzel, G. Abstreiter,

Abstract

Si : Er layers grown by sublimation molecular beam H. Holzbrecher, Ch. Buchal. Appl. Phys. Lett., 68, epitaxy are characterized electrically, optically and structurally. The (1996).

contents of Er and O in the layers grown at 400 600Cis up to [3] R. Serna, Jung H. Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman, 5 · 1018 and 4 · 1019 cm-3 respectively. The Hall concentration of P.F.A. Alkemade. J. Appl. Phys., 79, 2658 (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.