научная статья по теме НАНОРАЗМЕРНАЯ ВАРИЗОННАЯ СТРУКТУРА В КРЕМНИИ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ НАНОКЛАСТЕРАМИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «НАНОРАЗМЕРНАЯ ВАРИЗОННАЯ СТРУКТУРА В КРЕМНИИ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ НАНОКЛАСТЕРАМИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 6, с. 444-446

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.315.592

НАНОРАЗМЕРНАЯ ВАРИЗОННАЯ СТРУКТУРА В КРЕМНИИ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ НАНОКЛАСТЕРАМИ

© 2013 г. М. К. Бахадырханов, С. Б. Исамов, Н. Ф. Зикриллаев, К. Хайдаров

Ташкентский государственный технический университет имени Абу Райхана Беруни

E-mail: sobir-i@mail.ru Поступила в редакцию 09.02.2012 г.

Показана возможность создания локальных наноразмерных варизонных структур "кремний-кластер" в объеме решетки кремния на основе многозарядных нанокластеров атомов марганца

|jMn)++" B1]( ^. Кремний с многозарядными нанокластерами демонстрирует новые функциональные возможности полупроводникового материала с нанозарядными структурами так как, на их основе можно создать высокочувствительные фотоприемники работающие в широкой области ИК излучения с X = 1.55-8 мкм, которые невозможно создать путем обычного легирования примесными атомами, создающими глубокие уровни в кремнии.

DOI: 10.7868/S0544126913060033

ВВЕДЕНИЕ

При определенных термодинамических условиях формируются [1, 2] нанокластеры в решетке кремния состоящие из четырех атомов марганца, находящихся в ближайших соседних междоузлиях вокруг отрицательно заряженного атома бора. При этом одним из основных условий формирования таких нанокластеров было то, что атомы марганца должны находиться в заряженном состоянии (Мп+ и Мп++ ). Поэтому такие нанокла-стеры имеют многократно заряженное состояние

(Mn)

: в-1

+«-1)

Если это действительно так, тогда такие кластеры создают вокруг себя достаточно сильное электрическое поле. Как показывают расчеты для кластеров с максимальной кратно-

стью заряда

(Mn)

+8 в-1

+7

напряженность элек-

ведены расчеты на основе эффекта Франца-Келдыша

_ (Ар)2 _ (e2E2 (2nh)2лФ

AEg _■

2m*

2m*

трического поля на расстоянии 2—3 нм от кластера составляет Е ~ 106—107 В/см. Согласно эффекту Франца—Келдыша такое сильное локальное электрическое поле должно привести к изменению ширины запрещенной зоны кремния вокруг кластера, т.е. появляется уникальная возможность создания локальной наноразмерной варизонной структуры "кремний—кластер".

V "" У

относительного изменения запрещенной зоны кремния в зависимости от расстояния до кластера с максимальной кратностью заряда. Расчеты показали, что в области нескольких нанометров изменение ширины запрещенной зоны достаточно существенно, это изменение существенно уменьшается с удалением от кластера, т.е. создается локальная наноразмерная варизонная структура "кремний—кластер" (рис. 1).

МЕТОДИКА

Для подтверждения возможности формирования наноразмерных варизонных структур были проведены исследования спектральной зависимости фотопроводимости таких образцов при Т= = 100 К. Фотоэлектрические свойства были исследованы на установке ИКС-21, снабженной специальным криостатом с двумя фильтрами из полированного кремния, чтобы обеспечить не попадание собственного спектра поглощения.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Для подтверждения данного предположения, нами были изготовлены образцы с нанокластера-ми с максимальной кратностью заряда. Были про-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходного материала был использован монокристаллический кремний ^-типа с р =5 Ом см. Легирование кремния марганцем было осуществлено по разработанной техноло-

НАНОРАЗМЕРНАЯ ВАРИЗОННАЯ СТРУКТУРА В КРЕМНИИ

445

Я, нм

Рис. 1. Наноразмерная варизонная структура "кремний—кластер" на основе кремния с нанокластерами марганца.

гии, описанной в работе [3]. Были получены компенсированные образцы р-типа с удельным сопротивлением р = 103—104 Ом см при Т = 300 К. В этих образцах при Т = 300 К уровень Ферми находится в интервале от ¥ = Еу + 0.35 эВ до ¥ = Еу + + 0.4 эВ. Поскольку марганец в кремнии создает два донорных уровния с энергией ионизации Е1 = = Ес — 0.3 эВ и Е2 = Ес — 0.5 эВ [4, 5], можно с уверенностью сказать, что в полученных образцах кластеры атомов марганца находятся в многократно за-

ряженном состоянии

(Мп)+6 В

+5

(Мп)

+8 В-

+7

Из исследования состояния кластеров методом ЭПР обнаружены сверхтонкие спектры состоящие из 21 линии, свидетельствующие о наличие кластеров состоящих из четырех атомов марганца (Мп)4 [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как показали результаты исследования (рис. 2, кривая 1) в таких образцах фотоответ начинается при Н\ = 0.16 эВ и с ростом энергии фотонов фо-тоток непрерывно и существенно увеличивается и достигает своего максимального значения при к\ = 0.8 эВ.

Таким образом, установлено, что в образцах кремния с нанокластерами атомов марганца наблюдается аномально высокая примесная фотопроводимость в области Н\ = 0.16—0.8 эВ (X = = 1.55—8 мкм). В образцах с кластерами с меньшей кратностью заряда, чем максимальная, начало фотоответа смешается в сторону высоких энергий фотонов (рис. 2, кривые 2, 3) Н\ = 0.25 эВ; Н\ = 0.3 эВ соответственно. Из анализа экспериментальных результатов следует, что не возможно связать фотоответ с энергетическими уровнями марганца в кремнии. Как было показано в работах [4, 5], энергия ионизации донорных уровней примесных атомов марганца в запрещенной зоне крем-

ния соответственно равна Е1 = Ес — 0.3 эВ и Е2 = = Ес — 0.5 эВ, а эти уровни в исследуемых образцах практически абсолютно пустые. Поэтому можно предполагать, что в области низких температур, когда концентрация носителей заряда становится существенно мала (р ~ 104—105 см-3), а также практически отсутствует экранировка заряда кластера, сильное электрическое поле, создаваемое многозарядным кластером освобождает валентные электроны атома кремния, находящиеся

V А

10-3

10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9

10

10-

-10

1 2

•—3

0 0.2

0.4

0.6

0.8 к\, эВ

Рис. 2. Спектральная зависимость фотопроводимости кремния с различной кратностью заряда нанокла-стеров атомов марганца, при Т = 100 К, Е = 10 В/см: 1 - р = 1 х 104; 2 - р = 8 х 103; 3 - р = 1 х 103 Ом см, р-тип.

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 42 № 6 2013

446

БАХАДЫРХАНОВ и др.

вблизи кластера, т.е. это практически есть формирование наноразмерной варизонной структуры "кремний—кластер". Сопоставление экспериментальных результатов полученных при исследовании спектральной зависимости фотопроводимости, с рассчитанными данными изменения энергии запрещенной зоны на основе эффекта Франца-Келдыша, достаточно хорошо согласуется. Эти результаты подтверждают, что аномально высокая примесная ФП, связана с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости в области варизонных структур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные экспериментальные данные позволяют с одной стороны создать локальные нано-размерные варизонные структуры в объеме решетки, а с другой стороны создать на их основе высокочувствительные фотоприемники работающие в области X = 1.55-8 мкм, которые невозможно создать путем обычного легирования кремния атомами марганца и другими примесными атомами создающие глубокие уровни. Таким образом, полученные результаты показывают, что кремний с многозарядными нанокластерами демонстрирует новые функциональные возможности полупро-

водникового материала с нанозарядными структурами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бахадырханов М.К., Аюпов К.С., ИлиевХ.М., Мавло-нов Г.Х., Сатаров О.Э. Влияние электрического поля, освещенности и температуры на отрицательное магнетосопротивление кремния, легированного по методу "низкотемпературной диффузии" // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. № 16. С. 11-18.

2. Бахадырханов М.К., Аюпов К.С., Мавлянов Г.Х., Илиев Х.М., Исамов С.Б. Фотопроводимость кремния с нанокластерами атомов марганца // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 6. С. 426-429.

3. Абдурахманов Б.А., Аюпов К.С., Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Зикриллаев Н.Ф., Сапарниязова З.М. Низкотемпературная диффузия примесей в кремнии // Доклады АН РУз. 2010. Вып. 4. С. 32-36.

4. Абдурахманов К.П., Лебедев А.А., Крейсль Й., Утаму-радова Ш.Б. Глубокие уровни в кремнии связанные с марганцем // ФТП. 1985. Т. 19. № 2. С. 213-216.

5. Bakhadirkhanov M.K., Askarov Sh.I., Norkulov N. Some Features of Chemical Interaction between a Fast Diffusing Impurity and a Group VI Element in Silicon // Phys. Stat. Sol. 1994. V. 142. Р. 339-346.

6. Ludwig G.W., Woodbury H.H., Carlson R.O. Spin Resonance of Deep Level Impurities in Germanium and Silicon // J. Phys. Chem. Solids. 1959. V. 8. P. 490.

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 42

№ 6 2013

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