научная статья по теме ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИФФУЗИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИФФУЗИИ»

УДК 621.315.592

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИФФУЗИИ

© 2011 г. М. К. Бахадырханов, Г. Х. Мавлонов, С. Б. Исамов, Х. М. Илиев, К. С. Аюпов, З. М. Сапарниязова, С. А. Тачилин

Ташкентский государственный технический университет, Узбекистан e-mail: mavlonov_g@mail.ru Поступила в редакцию 27.01.2010 г.

Исследованы электрофизические свойства кремния, легированного марганцем методом низкотемпературной диффузии. Установлено, что в образцах наблюдается гигантская фотопроводимость в примесной области спектра с X = 3—1.5 мкм, аномально высокое отрицательное магнетосопротив-ление, а также зависимость подвижности дырок от температуры, не характерные для кремния. На основе исследования состояния атомов марганца методами ЭПР и АСМ предложены структура на-нокластеров, состоящих из введенных атомов марганца, и способ управления их зарядовым состоянием и магнитным моментом.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование взаимодействия примесных атомов между собой или с дефектами кристаллической решетки, особенно определение оптимальных термодинамических условий формирования самоорганизующихся кластеров примесных атомов в полупроводниках, управление их концентрацией и параметрами, представляет большой научный и практический интерес [1]. Так как в отличие от существующих достаточно сложных способов формирования наноразмерных структур, создание на-нокластеров примесных атомов в кристаллической решетке обладает рядом преимуществ: возможностью образования наноразмерных структур по всему объему кристалла, возможностью формирования магнитных наноструктур, обладающих большим магнитным моментом, а также возможностью создания многозарядных центров с сильным электрическим потенциалом.

Цель данной работы — исследование поведения атомов марганца в кристаллической решетке кремния и его влияния на электрофизические параметры.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Атомы марганца являются парамагнитными центрами со спином S = 5/2 (З^ЧУ) и в зависимости от условия легирования могут находится в кристаллической решетке кремния в состояниях Мп0 (З^Чу2), Мп+ (З^Чу1), Мп2+ (З^ЧУ0) и [МпВ]+. В образцах кремния, медленно охлажденных, после проведения диффузии при высокой температуре с помощью метода ЭПР были обнаружены спектры, показывающие существование нанокластеров, содержащих четыре атома марганца, которые, как предполагают авторы [2—5], находятся в ближай-

ших эквивалентных межузельных положениях в решетке кремния вокруг общего центра.

Однако, как показали эксперименты, получить кремний со стабильным состоянием атомов марганца в кристаллической решетке и с воспроизводимыми электрическими параметрами с помощью высокотемпературной диффузии невозможно [6]. Это, по-видимому, связано с наличием эрозии поверхности материала в процессе диффузии, с образованием различных сплавов и силицидов 81 + Мп на поверхности и в приповерхностной области кремния и с трудностями создания идентичных условий охлаждения образцов после высокотемпературного отжига, который сопровождается распадом твердого раствора системы 81—Мп [6].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Разработанный нами новый способ легирования заключается в следующем. Образцы кремния вместе с диффузантом помещаются в диффузионную печь при комнатной температуре. Далее температура печи постепенно увеличивается с определенной скоростью до заданной температуры. После достижения необходимой температуры процесс ее повышения прекращается. Образцы выдерживаются при заданной температуре диффузии 15—20 мин, после чего охлаждаются с заданной скоростью. Скорость нагрева и охлаждения образцов, а также конечная температура диффузии определяются параметрами исходного кремния и требованиями к параметрам полученных образцов.

В качестве исходного материала использовали монокристаллический кремний ^-типа проводимости с удельным сопротивлением р = 5 Ом см. Управляя условиями легирования, получены как компен-

Подвижности дырок в образцах I и II групп р-типа проводимости

Метод диффузии Образец р, Ом см ц, см2/(В с)

I группа Низкотемпературный 81<В,Мп) 8 х 102 90

8 х 103 63

1.2 х 104 78

2 х 104 80

4 х 104 75

II группа Высокотемпературный 81<В,Мп) 6 х 103 271

7 х 104 214

БЦР, N1) 6 х 104 261

БЦР, Со) 2 х 103 220

сированные (р-81(В,Мп>), так и перекомпенсированные (я-81(В,Мп>) образцы с удельными сопротивлениями при 300 К от 103 до 105 Ом см (образцы I группы). Также были изготовлены образцы кремния, легированные марганцем, полученные способом загрузки и выгрузки при высокой температуре, с аналогичными удельными сопротивлениями (образцы II группы).

Следует отметить, что конечная температура диффузии в обоих случаях была одинаковой, чтобы обеспечить в них одинаковую концентрацию марганца, но время диффузии в случае загрузки и выгрузки образцов при высокой температуре было в 2—3 раза больше.

ц, см2/(В с) 1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 -

3 3.5 4.0 4.5

103/Г, К-1

Рис. 1. Температурные зависимости подвижности дырок в образцах I группы р-81(В,Мп) при р = 7 х 103 (7), 104 (2), 3 х 104 Ом см (3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Выявлены следующие особенности образцов I группы в отличие от образцов II группы:

1. эрозия поверхности и образование каких-либо твердых сплавов 81 + Мп на поверхности и в приповерхностной области кристалла кремния не наблюдалась;

2. электрические параметры, как на поверхности, так и по всему объему кристалла, достаточно однородные, что свидетельствует об однородности легирования;

3. концентрация электроактивных атомов марганца в 2-2.5 раза больше, хотя конечная температура диффузии была одинаковой для обоих условий легирования;

4. стабильность электрических параметров образцов в интервале температур 300-420 К сохраняется в течение длительного времени;

5. подвижность дырок в компенсированных образцах р-81<В,Мп> аномально маленькая в сравнение с образцами II группы с такими же удельными сопротивлениями (таблица).

Температурная зависимость подвижности дырок в образцах р-81<В,Мп> приведена на рис. 1. Как видно, в исследуемой области температур, изменение подвижности имеет аномальный характер. С понижением температуры (Т < 300 К) подвижность достаточно быстро увеличивается и достигает своего максимального значения при Ттах = 260-265 К. Затем при дальнейшем понижении температуры подвижность уменьшается и достигает минимального значения. При дальнейшем понижении температуры (Т< Тт1п) опять начинается рост подвижности. При этом следует отметить, что, во-первых, в исследуемой области температур зависимость цр(Т) не подчиняется закону ц ~ Т"3/2, который имеет место в образцах II группы, а также в образцах, легированных другими примесными атомами. Кроме этого, значение подвижности в области температур 285250 К имеет большие значения, не характерные для подвижности дырок в кремнии при данной темпе-

ратуре, а в области 290—250 К наблюдается обратная картина. Этот эффект более ярко проявляется в образцах ^-81<Б,Мп> с р = (5—10) х 103 Ом см, в которых энергия Ферми Ер = Еу + (0.38—0.45 эВ). При смещение уровня Ферми к средине запрещенной зоны эффект ослабляется, и значения Тт1п и Ттах смещаются в сторону более высоких температур. В перекомпенсированных образцах я-81(Б,Мп>, хотя и наблюдается заметное уменьшение подвижности электронов, но на зависимости цп(Т указанный выше эффект отсутствует.

Влияние электрического поля на подвижность дырок в образах I и II групп с одинаковыми удельными сопротивлениями показано на рис. 2. Видно, что в исследуемой области электрического поля в образцах II группы не наблюдается существенных изменений. В то же время в образцах I группы с ростом электрического поля подвижность дырок возрастает, и в области Е ~ 90—100 В/см достигает значения, соответствующего подвижности дырок образцов II группы.

Интересные результаты также наблюдались при исследовании фотоэлектрических и магнитных свойств полученных образцов. Фотоэлектрические исследования проводили при наличии двойного фильтра из полированных кремневых пластин, установленных перед глобаром спектрометра ИКС-21 и перед окошком криостата, чтобы обеспечить исследование только примесной фотопроводимости (ФП).

Установлено, что в I группе образцов с р = (5—10) х х 103 Ом см, наблюдается аномально высокая примесная ФП в области Ну = 0.4—0.8 эВ. Особенность ФП в этих образцах заключается в том, что с увеличением энергии фотонов с Ну = 0.4 эВ (начало фотоотклика) ФП непрерывно и скачкообразно увеличивается, достигая максимального значения при Ну = 0.8 эВ (рис. 3, кривая 1). В то же время в образцах II группы с такими же удельными сопротивлениями, независимо от абсолютно одинаковых условий, значение примесной ФП спектра во всей исследуемой области почти на 5—7 порядков меньше (рис. 3, кривая 2).

Следует отметить, что, хотя с ростом удельного сопротивления образцов I группы ФП уменьшается, характер спектров сохраняется. Максимальная примесная ФП наблюдается в образцах ^-81<Б,Мп> с р = (5-10) х 103 Ом см.

На рис. 4 приведено магнетосопротивление образцов I и II группы с одинаковыми электрическими параметрами. Исследование проводилось при комнатной температуре и В = 0-2 Тл в идентичных условиях. Как видно, в образцах II группы имеется небольшое отрицательное магнетосопротивление

— - 6% при В = 1.5-1.6 Тл (рис. 4, кривая 2), что Р

подтверждается результатами [7-9]. В образцах I

ц, см2/(В с)

240 * * А ▲ 2 Ж ---к-,

200

160 -

120

80

20

40

60

80 100 Е, В/см

Рис. 2. Зависимости подвижности дырок от электрического поля в образцах ^-81(Б,Мп) I (1) и II (2) групп с р = 7 х 103 Ом см при Т = 300 К.

4, А

10

10

10

10

10

10

-10

-12

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ну, эВ

Рис. 3. Спектры фототока в образцах ^-81(Б,Мп) I (1) и II (2) групп с р = 7 х 103 Ом см.

Др/р, %

Рис. 4. Магнетосопротивление в образцах p-Si(B,Mn) I (1) и II (2) групп с р = 7 х 103 Ом см при Т = 300 K.

группы наблюдается аномально большое отрицательное магнетосопротивление, значение которого увеличивается с ростом магнитного поля, достигая

- 100% при В = 2 Тл.

Р

Значение отрицательного магнетосопроти

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком