НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 4, с. 389-393
УДК 621.315.592
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОЗАРЯДНЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ АТОМОВ
МАРГАНЦА И СЕРЫ В КРЕМНИИ
© 2012 г. З. М. Сапарниязова, М. К. Бахадырханов, О. Э. Саттаров, Х. М. Илиев, К. А. Исмаилов, Н. Норкулов, Д. Ж. Асанов
Ташкентский государственный технический университет, Узбекистан e-mail: mzlixa@mail.ru Поступила в редакцию 24.06.2011 г.
Исследовано взаимодействие нанокластеров атомов марганца с атомами серы в кремнии. Показано, что при одновременном и последовательном легировании кремния марганцем и серой электрофизические параметры исходного образца (удельное электросопротивление, подвижность, тип проводисти) практически не изменяются. Примесная фотопроводимость в ИК-области спектра отсутствует, и наблюдается только небольшое положительное магнетосопротивление. Спектры ЭПР показали наличие только атомарных атомов марганца. Предполагается, что наличие атомов серы в решетке кремния создает благоприятные условия для захвата двукратно заряженного межузельного атома марганца (Mn++) отрицательно заряженными вакансиями. В результате образуется многокомпонентный кластер примесных атомов состава Si2S++Mn в решетке кремния по всему объему кристалла. Определены оптимальные условия термоотжига для образования таких кластеров. Формирование кластеров Si2S++Mn с определенной концентрацией позволяет целенаправленно управлять основными фундаментальными параметрами кремния и раскрывает новые функциональные возможности таких материалов при разработке приборов микро- и наноэлектроники.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование формирования кластеров примесных атомов в полупроводниках необходимо для создания наноразмерных структур в решетке [1, 2]. Интерес к данным исследованиям связан, во-первых, с возможностью формирования по всему объему кристалла многозарядных и магнитных наноразмерных структур, которые практически невозможно получить методом молекулярной эпитаксии; во-вторых, с большими функциональными возможностями таких материалов при создании принципиально новых наноэлек-тронных приборов [3, 4].
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
В [5] показано, что при определенных термодинамических условиях при легирование кремния образуются кластеры, состоящие из четырех атомов марганца, находящихся в ближайших эквивалентных межузельных положениях вокруг отрицательно заряженного атома бора. Одно из основных условий формирования кластеров — обеспечение нахождения атомов марганца в решетке кремния в состояниях Мп+ или Мп++. Поэтому в зависимости такие кластеры могут иметь различное зарядовое состояние. Поскольку в та-
ких кластерах участвуют атомы марганца со спином 5/2 (3d5), можно предположить, что нанокла-стеры атомов марганца обладают достаточно сильным магнитным моментом.
Таким образом, можно сказать, что нанокла-стеры атомов марганца действуют как многократно заряженные центры, обладающие существенным магнитным моментом. Подтверждением этого может служить обнаруженное в кремнии с нанокластерами атомов марганца высокое отрицательное магнетосопротивление (Др/р0 ~ 100%) при комнатной температуре, а также аномально высокая примесная фотопроводимость в области X = 1.5-8 мкм [6, 7].
В связи с этим представляет интерес исследование взаимодействия нанокластеров атомов марганца с атомами серы в кремнии. Выбор в качестве примесного атома серы обусловлен тем, что он, так же, как и марганец в кремнии, создает донорный уровень и может находиться в решетке как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (Б1, Б2) [8, 9]. Поэтому можно предположить, что взаимодействие многозарядных положительно заряженных кластеров атомов марганца с
ионом (Б+, 8++) или (81)+(5>)++ позволяет не только формировать новый вид многокомпонентных
390
САПАРНИЯЗОВА и др.
Электрические параметры образцов после диффузии
Образец р, Ом см Тип проводимости 2 см2/(В с) N см-3
81 (В, Мп) 6 х 103 Р 98 1.83 х 1015
81 (В, Мп) 6.5 х 103 Р 102 1.8 х 1015
81 (В, 8) 10.1 я 1270 8 х 1015
81 (В, 8) 10.5 я 1255 8.1 х 1015
81 (В, Мп, 8) 9 Р 257 <1014
81 (В, Мп, 8) 10 Р 265 <1014
81 (В)* 104 я 1160 ~2 х 1015
Примечание. N — концентрация электроактивных атомов серы, марганца и термодоноров в соответствующих образцах. * Контрольный образец.
кластеров примесных атомов с управляемыми параметрами, но и раскрыть еще неизвестные грани взаимодействия дефектных структур в полупроводниках.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходного материала использовали монокристаллический кремний р-типа с удельным сопротивлениям р ~ 5 Ом см с концентраци-
ей кислорода И0 ~ 7 х 1017
см
Диффузия мар-
ганца и серы осуществлялась из газовой фазы с одинаковым давлением паров по методу "низкотемпературного и поэтапного легирования", позволяющему формировать кластеры атомов марганца [5]. С учетом коэффициента диффузии и растворимости этих примесей температура и время диффузии выбирали таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное легирование по всей толщине образца, а также нахождение этих примесных атомов в решетке кремния в состояниях Мп+, Мп++ и 8+, 8++.
Было изготовлено три партии образцов:
— легированные только марганцем;
— легированные только серой;
— легированные одновременно (или последовательно) марганцем и серой.
Все три партии образцов в отдельных ампулах отжигали вместе при идентичных условиях. После
диффузии поверхность образцов шлифовали — по 50 мкм, до половины толщины образца. После каждого этапа шлифовки методами четырех зондов, а также эффекта Холла определяли основные электрические параметры материала.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице приведены основные электрические параметры трех партий образцов после легирования при температуре 1100°С в течение 56 ч. Как видно, электрические параметры образцов 81 (В, Мп), 81 (В, 8) полностью совпадают с параметрами образцов, легированных этими же примесями в таких же условиях [5—9]. Электрические параметры каждой партии образцов одинаковы по толщине, т.е. образцы легированы однородно.
Как показали результаты исследования состояния атомов марганца в образцах 81 (В, Мп) методом ЭПР, в них четко наблюдается сверхтонкий спектр, состоящий из 21 линии, свидетельствующий о формировании кластеров, состоящих из четырех атомов марганца, которые характерны в таких образцах [10].
Представляет интерес исследования образцов 81 (В, Мп, 8). В таких образцах одновременно действуют донорные примеси (марганец и сера), что должно привести к получение более низкоомного материала я-типа, чем 81 (В, 8). Однако, как видно из таблицы, электрические параметры образцов, одновременно легированных марганцем и серой, практически совпадают с параметрами исходного материала. Исходя из этого, можно предположить, что в них отсутствуют не только примесные атомы марганца и серы, но и термодоноры, образующиеся при таких условия легирования [11].
Для выяснения этого вопроса проведен акти-вационный анализ образцов 81 (В, Мп, 8). Как показали результаты, концентрация атомов марганца и серы в них оказалась даже немного больше, чем концентрация марганца в 81 (В, Мп) и серы в 81 (В, 8). На спектральных зависимостях фотоэлектрических свойств образцов 81 (8) наблюдаются энергетические уровни, характерные для атомов серы, а в образцах 81 (В, Мп) — аномально высокая примесная фотопроводимость в области Н\ = 0.16—0.8 эВ, связанная с нанокластерами атомов марганца, что и соответствует результатам [7]. В то же время в образцах 81 (В, Мп, 8) не обнаружено не только наличия каких-либо энергетических уровней, связанных с серой или марганцем, но и заметной фотопроводимости в исследуемой области спектра (рис. 1).
Рис. 1. Спектральные зависимости относительного изменения фототока: 1 — 81 (Б, Мп); 2 — 81 (Б, 8, Мп).
Др/р, %
Рис. 2. Зависимости магнетосопротивления образцов от величины магнитного поля (Т = 300 К): 1 — 81 (Б, Мп) ^-типа; 2 — 81 (Б, 8, Мп) ^-типа.
и и м--И+ +
81 = 81 = Мп = 8 =
и и++ и
81 = 8 = 81
81
и++ м II — 8 = 81 =Мп:
= 81
Мп — 81 =
= 81 = 81 = 81 = 81 =
= 81
81
81 =
Рис. 3. Многокомпонентные кластеры примесных атомов в решетке кремния.
Исследование магнетосопротивления образцов 81 (Б, Мп) показало, что в них при комнатной температуре имеет место аномально высокое отрицательное магнетосопротивление, что подтверждает результаты [6].
На рис. 2 представлены зависимости магнетосопротивления, полученные в образцах 81 (Б, Мп) и 81 (Б, Мп, 8). Как видно, в отличие от образцов 81 (Б, Мп), в образцах 81 (Б, Мп, 8) наблюдается только небольшое положительное магнетосопротивление. Результаты ЭПР показали, что в образ-
цах 81 (Б, Мп, 8) имеет место только спектр, состоящий из шести линий, характерных для состояний атомарных атомов марганца (3d5) [12].
Аналогичные результаты получены в образцах, легированных последовательно, т.е. сначала серой, а затем марганцем. Эти результаты дают возможность предположить, что в образцах, легированных одновременно серой и марганцем, не только не формируются нанокластеры атомов марганца, но и практически все введенные атомы марганцы и серы находятся в электронейтраль-
392
САПАРНИЯЗОВА и др.
ном состоянии. Поэтому можно считать, что наличие атомов серы в кремнии с нанокластерами атомов марганца разрушает или не позволяет формировать нанокластеры, и электронейтральные комплексы образуются между атомами серы и марганца.
Однако состояние атомов серы (8+, 8++) и марганца (Мп+, Мп++) в решетке 81 практически исключает прямое образование комплексов между этими атомами. Тогда можно считать, что наличие атомов серы в решетке создает благоприятные условия для захвата двукратно заряженного межузельного (Мп)++ атома марганца отрицательно заряженными вакансиями. Для обеспечения стабильного состояния атома марганца в узле решетки (3d 54s2) атом серы дает два своих лишних электрона атому марганца и становится 8++, а атом марганца — Мп (3d 54s14p'1), т.е. атом марганца в этом случае выступает как двукратно заряженная акцепторная примесь. Таким образом, хотя примесные атомы ионизованы, они не создают дополнительных электронов ни в зоне проводимости, ни валентной зоне.
Предложенная модель взаимодействия поз
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.