WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Электрически активные центры в светоизлучающих слоях Si : Er, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии © В.Б. Шмагин¶, Б.А. Андреев, А.В. Антонов, З.Ф. Красильник, В.П. Кузнецов, О.А. Кузнецов, Е.А. Ускова, C.A.J. Ammerlaan†, G. Pensl‡ Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского университета, 603600 Нижний Новгород, Россия † Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam, 1018 XE Amsterdam, The Netherlands ‡ Institute of Applied Physics, University of Erlangen-Nurnberg, Gebaude A3, D-91058, Erlangen, Germany (Получена 29 мая 2001 г. Принята к печати 5 июня 2001 г.) Методами адмиттанс-спектроскопии с температурным сканированием и релаксационной спектроскопии глубоких уровней исследованы электрически активные центры в светоизлучающих слоях Si : Er, выращенных на подложках из монокристаллического кремния методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Установлено, что суммарная концентрация электрически активных центров определяется мелкими донорными центрами с энергией ионизации от 0.016 до 0.045 эВ. Исследовано влияние условий роста и послеростового отжига на состав и концентрацию электрически активных центров. В слоях Si : Er, получаемых сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией и ионной имплантацией, установлены существенные различия в составе электрически активных центров с глубокими уровнями и в каналах передачи возбуждения от электронной подсистемы кристалла Si ионам Er3+.

1. Введение щих СМЛЭ-слоях Si : Er, их трансформации в процессе послеростовой термообработки структур и влияния на Кремний, легированный эрбием, привлекает внимание оптические свойства слоев.

исследователей в связи с возможностью создания эффективных излучателей на длину волны 1.54 мкм, лежащую 2. Эксперимент в области максимальной прозрачности кварцевых волоконных световодов. Перспективными методами создания Исследовались однородно легированные слои Si : Er, эффективно излучающих структур Si : Er / Si являются выращенные в вакууме при остаточном давлении молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) [1,2] и сублима2 · 10-7 мбар на подложках Si (100) p- и n-типа проводиционный вариант МЛЭ (СМЛЭ), особенностью которого мости с удельным сопротивлением 20, 10 и 0.008 Ом·см.

является получение молекулярных потоков Si и Er путем В качестве сублимирующего источника использовались сублимации кристалла Si, изначально легированного Er и пластины, вырезанные из слитков Si : Er с содержанием другими необходимыми примесями [3]. Методом СМЛЭ Er и O до 5·1020 и 1·1019 см-3 соответственно. Темпераполучены структуры как с однородно легированными тура роста Tg варьировалась от 400 до 600C, толщина светоизлучающими слоями Si : Er [4–8], так и периодислоев — от 0.2 до 3 мкм. В ряде случаев проводился ческие многослойные структуры с чередованием слоев дополнительный отжиг структур в атмосфере водорода чистого кремния и кремния, легированного эрбием, копри температуре Tann = 900Cв течение 30 мин.

торые в пересчете на толщину светоизлучающего слоя Электрически активные центры в слоях Si : Er исслепоказывают рекордно высокую интенсивность фотолюдовались методами адмиттанс-спектроскопии с темпеминесценции [7,8].

ратурным сканированием и релаксационной спектроскоОптические свойства СМЛЭ-структур, включая класпии глубоких уровней (РСГУ) в диапазоне температур сификацию оптически активных центров, их трансфорT = 10-350 K. Измерения адмиттанса проводились в мацию в процессе послеростового отжига, исследованы диапазоне частот f = 0.1-1000 кГц. Активная (G) и достаточно подробно и описаны в [4–8]. В меньшей емкостная (C) компоненты тока, протекающего через степени изучены электрически активные центры, их роль исследуемую структуру, выделялись путем синхронного в процессах возбуждения и девозбуждения оптически детектирования. РСГУ-измерения проводились на частоактивных ионов Er3+ [5,9]. Цель настоящей работе 400 кГц с использованием техники двухканального ты — исследование методами емкостной спектроскостроб-интегрирования [10]. Отметим, что сочетание пии электрически активных центров в светоизлучаюметодов РСГУ и адмиттанс-спектроскопии позволило ¶ E-mail: shm@ipm.sci-nnov.ru в рамках одного эксперимента идентифицировать как Электрически активные центры в светоизлучающих слоях Si : Er, полученных методом... мелкие, так и глубокие энергетические уровни и таким обнаруженные в неотожженных слоях Si : Er, не участвуобразом увеличить объем и надежность получаемых ют в процессе передачи возбуждения от электронной данных. подсистемы кристалла Si ионам Er3+. Скорее всего их Контакты Шоттки для проведения емкостных изме- следует отнести к дефектам роста.

рений готовились напылением палладия в вакууме при Следующей особенностью неотожженных слоев являостаточном давлении 6 · 10-6 мбар на предварительно ется сильная зависимость измеряемой барьерной емкоподготовленную поверхность образца. Омический кон- сти от температуры (рис. 2, a). Наблюдаемую зависитакт формировался втиранием сплава In–Ga в тыльную мость C(T ) не удается объяснить влиянием ГУ, локализоповерхность образца или напылением рядом с измери- ванных в области пространственного заряда (ОПЗ), потельным контакта Шоттки большой площади (структуры скольку относительная концентрация ГУ, наблюдаемых в на высокоомных подложках p-типа проводимости).

данной структуре, слишком мала: NT /(ND - NA) 0.03.

Эффект термостимулированной емкости [12], который мог бы доказательно подтвердить гипотезу о связи на3. Результаты и их обсуждение блюдаемого изменения барьерной емкости с перезарядкой ГУ в ОПЗ, также не проявляется в данной и подобВсе исследованные эпитаксиальные слои обладали ных ей структурах. Возможно, наблюдаемая зависимость проводимостью n-типа независимо от температуры роC(T) вызвана флуктуациями зонного потенциала в ОПЗ.

ста. При последующей термообработке структур тип Известно, что флуктуации зонного потенциала в ОПЗ, проводимости не менялся. Концентрация свободных новозникающие, например, при неоднородном распределесителей заряда, по данным вольт-фарадных измерений нии примесей, приводят к аномальной температурной и измерений эффекта Холла, составляла 1016-1018 см-3 зависимости барьерной емкости, подобной изображенпри T = 300 K.

3.1. Неотожженные слои В неотожженных слоях Si : Er обнаружены электрически активные центры с глубокими уровнями (ГУ), энергия ионизации которых лежит в интервале 0.15-0.45 эВ (рис. 1). Их концентрация составляла NT 2 · 1015 см-3, относительная концентрация NT /(ND - NA) 0.03.

Проведенные ранее измерения показали, что уровень фоновых загрязнений, вносимых аппаратурой в процессе выращивания СМЛЭ-структур, составляет величину 2 · 1013 см-3 [3,11]. Следовательно, возникновение наблюдаемых электрически активных центров связано с процессом введения Er. Величина NT определяется условиями роста слоев Si : Er: она максимальна в слоях, выращенных при пониженной температуре (Tg 500C), и уменьшается с повышением температуры роста. Величина NT не зависит, по-видимому, от типа используемой подложки: ГУ наблюдались примерно в одинаковой концентрации в слоях Si : Er, выращенных как на низкоомных подложках (КЭФ-0.008), так и на относительно высокоомных (КДБ-10, КДБ-20).

Отличительная особенность этой группы электрически активных центров — то, что они полностью отжигаются при дополнительном послеростовом отжиге (900C, 30 мин, H2). Проведенные ранее исследования по изохронному (30 мин) отжигу однородно легированных СМЛЭ-структур показали, что под воздействием Рис. 1. Спектры РСГУ структуры Si : Er / Si: a — до отжига, отжига меняется тип излучающих центров. Интенсивb — после отжига. Подложка КЭФ-0.008, температура роста ность фотолюминесценции, связанной с ионами Er3+, Tg = 430C; условия отжига — 900C/ 30мин/ H2. Услоимеет минимум при температуре отжига Tann = 750C вия регистрации спектров: 0.6 мс, напряжение U = -2В.

и возрастает при отжиге структур Si : Er / Si в интервале 1 — калибровочные импульсы; амплитуда калибровочного имтемператур Tann = 800-900C [6,7]. Это позволяет пульса C = 10-3C, C — емкость структуры при температуре нам утверждать, что электрически активные центры, калибровки.

4 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 180 В.Б. Шмагин, Б.А. Андреев, А.В. Антонов, З.Ф. Красильник, В.П. Кузнецов, О.А. Кузнецов...

лей заряда на основной (мелкой) примеси в области электрической нейтральности измеряемого диода [12].

Изменение тестовой частоты вызывает смещение наблюдаемых зависимостей по оси температур. На рис. 3, b в координатах Аррениуса приведена зависимость температуры, при которой регистрируется максимум G(T ), от частоты тестового сигнала. Энергия ионизации уровня, определяющая наклон зависимости Аррениуса, составила 0.016 эВ. При определении энергии ионизации была учтена температурная зависимость эффективной 3/плотности состояний в зоне проводимости NC(T ) T, зависимость подвижности носителей заряда от температуры не учитывалась.

Определяемый данными центрами тип проводимости, поведение при послеростовом отжиге позволяют предположить, что наблюдаемые мелкие центры относятся к группе термодоноров — примесно-дефектных комплексов, возникающих в обогащенных кислородом кристаллах кремния при их термообработке. Не ясна до конца роль Er в их формировании. Возможно, атомы Er, в силу их большего размера по сравнению с атомами Si, вносят заметные искажения в решетку кристалла Si и тем самым ускоряют генерацию термодоноров [15]. Отметим различие в составе мелких электрически активных центров, наблюдаемых в СМЛЭ-слоях, выращенных из Рис. 2. Адмиттанс-спектры структуры Si : Er / Si: a — до разных источников Si : Er. Наиболее вероятная причина, отжига, b — после отжига. Структура и условия отжига те же, что и на рис. 1. Условия регистрации спектров: частота f = 1МГц, напряжение U = 0.

ной на рис. 2, a, причем модуль производной |dC/dT| и дисперсия, характеризующая флуктуации зонного потенциала, связаны пропорциональной зависимостью [13].

Причиной возникновения неоднородностей в распределении примесей может быть то, что концентрация Er в слое Si : Er на несколько порядков величины превышает равновесную растворимость Er в Si, составляющую, по данным [14], величину 1016 см-3 при 1300C. Высокотемпературный отжиг в атмосфере водорода (рис. 2, b) устраняет отмеченную аномальную зависимость C(T ).

Отметим, что речь в данном случае идет о равновесном характере изменений барьерной емкости, не связанном с неравновесными термостимулированными процессами.

3.2. Отожженные слои Единственными электрически активными центрами, регистрируемыми в отожженных слоях Si : Er, являются мелкие донорные центры с энергией ионизации 0.016-0.045 эВ. На рис. 3, a приведены адмиттансспектры C(T ) и G(T ) структуры Si : Er / Si, снятые при нулевом смещении и частоте тестового сигнала Рис. 3. Определение энергии ионизации мелких доноров f = 80.6 кГц. Отметим, что возникновение пика на по данным адмиттанс-спектроскопии: a — адмиттанс-спектры, зависимости G(T ) и ступеньки на зависимости C(T ) b — прямая Аррениуса. Условия регистрации спектров: частота обусловлено в данном случае вымораживанием носите- f = 8 · 102-8 · 104 Гц, напряжение U = 0.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Электрически активные центры в светоизлучающих слоях Si : Er, полученных методом... данных электрически активных центров по сравнению с бором. При параллельном включении подложки и эпитаксиального слоя в области электрической нейтральности (рис. 4, кривая 3) мы наблюдаем вымораживание носителей на примесях, локализованных как в подложке, так и в слое Si : Er. Вымораживание в подложке выражено слабее, поскольку при этой температуре эпитаксиальный слой пердставляет собой хорошо проводящий параллельный (шунтирующий) канал.

4. Заключение Наиболее существенное отличие исследованных СМЛЭ-структур от структур, получаемых методом ионной имплантации, состоит в следующем. В имплантированных слоях уверенно регистрируются ГУ в диапазоне энергий ионизации 0.1-0.2эВ, в том числе уровень EC - 0.15 эВ, который, согласно существующим представлениям, ответствен за передачу возбуждения ионам Er3+ в имплантированных слоях [16]. В СМЛЭ-слоях, несмотря на интенсивную фотолюминесценцию, связанную с оптически активными ионами Er3+, не удается зарегистрировать ГУ в том же диапазоне энергий ионизации. Так, в структуре Рис. 4. Адмиттанс-спектры структуры Si : Er / Si при разных Si : Er / Si, показывающей интенсивную эрбиевую способах ее включения. Пояснения в тексте.

фотолюминесценцию, при полной концентрации tot эрбия NEr = 1 · 1018 см-3 концентрация оптически активных центров, связанных с эрбием, при температуре opt на наш взгляд, — влияние остаточных примесей, прежде жидкого гелия составила NEr = 2 · 1016 см-3 [17].

всего O, C, N(и, возможно, примесей других легких эле- Концентрация ГУ с энергией ионизации в диапазоне ментов), которые могут входить в состав наблюдаемых 0.1-0.3 эВ, которые могли бы участвовать в передаче мелких центров. энергии ионам Er3+ (по механизму захвата экситона На рис. 4 приведены адмиттанс-спектры C(T ) структу- на ГУ, описанному в [16,18]), по данным РСГУ, el ры Si : Er / Si, выращенной методом СМЛЭ на высокоом- составила NEr < 1 · 1013 см-3. На наш взгляд, столь opt el ной подложке КДБ-20 (см. вставку). Приведенные спек- большое различие между концентрациями NEr и NEr тры интересны тем, что в зависимости от схемы вклю- свидетельствует о существовании в СМЛЭ-слоях чения структуры позволяют наблюдать вымораживание дополнительных (по сравнению с имплантационными носителей на электрически активных центрах, локализо- слоями) каналов передачи возбуждения от электронной ванных как в подложке, так и в слое Si : Er. Если в ка- подсистемы кристалла Si ионам Er3+, не связанных с честве омического контакта используется In–Ga-контакт уровнем EC - 0.15 эВ.

(рис. 4, кривая 1), то область электрической нейтральАвторы выражают признательность Ю.А. Карпову ности диода включает в себя подложку и часть эпи(Институт химических проблем микроэлектроники, таксиального слоя Si : Er, соединенные последовательно.

Москва) за предоставление источников для процесса В этом случае при понижении температуры происхоСМЛЭ.

дит вымораживание носителей на примеси, обладающей Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ большей энергией ионизации (бор в подложке). Если (гранты 99-02-17750, 99-03-32757, 01-02-16439), INTAS в качестве омического используется контакт Шоттки (грант 99-01872) и MWO(проект 047.009.013).

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.