КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2010, том 55, № 3, с. 499-502
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
УДК 537.311.33
ЭЛЕКТРОАКТИВНЫЙ КОМПЛЕКС В ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ КРИСТАЛЛАХ Ge-Si <Cu,Al>
© 2010 г. Г. Х. Аждаров, З. М. Зейналов*, З. М. Захрабекова, А. И. Кязимова*
Институт физики НАНАзербайджана, Баку E-mail:zangi@physics.ab.az *Гянджинский государственный университет, Азербайджан Поступила в редакцию 30.09.2009 г.
На основе холловских измерений показано, что закалка сложнолегированных кристаллов Ge1-xSix(Cu, Al) (0 < x < 0.20) с 1050—1080 К приводит к образованию в них дополнительных электроактивных центров акцепторного действия. Энергия активации этих центров растет линейно с содержанием кремния в кристалле и описывается соотношением Ej¡X = (52 + 320x) мэВ. Отжиг кристаллов при 550—570 К приводит к исчезновению дополнительных акцепторных уровней. Установлено, что наиболее вероятной моделью для дополнительных электроактивных центров является комплекс из пары, состоящей из замещающих атомов меди и алюминия (CuAls) или из межузель-ных атомов меди и замещающих атомов алюминия (CuiAls). Показана необходимость учета генерации дополнительных глубоких акцепторных уровней при использовании метода прецизионного легирования кристаллов Gei _ xSix(Al) медью.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что распад пересыщенного раствора электроактивной примеси в легированных полупроводниках используется как эффективный метод управления электронными свойствами материала. Медь как в германии и кремнии, так и в их твердых растворах относится к разряду мульти-плетных глубоких примесных центров и существенно влияет на электрические свойства этих полупроводников в широкой области температур. Три акцепторных уровня, наблюдаемые в этих материалах, относят к замещающим атомам этой примеси [1]. В германии энергия этих уровней составляет — Ev + 40 мэВ, Ev + 330 мэВ и Ес — 260 мэВ. Медь является быстродиффундирующей примесью в Ge, Si и Ge—Si, и поэтому распад ее пересыщенного раствора в этих кристаллах при термической обработке успешно используется для управления концентрацией примеси в матрице. Однако тенденция быстродиффундирующих глубоких примесей к образованию соединений и комплексов с различными дефектами кристаллической решетки при термической обработке материала [2—7] может привести к созданию дополнительных электроактивных центров, существенно влияющих на электрические свойства матрицы. Несомненно, определение условий создания таких центров и их параметров является важной задачей в деле получения материала с заданными свойствами.
В [5] показано, что термическая обработка Ge(Cu) при 970 К с последующей закалкой образ-
ца приводит к образованию дополнительного глубокого акцепторного уровня Еч + 80 мэВ. Концентрация этого уровня коррелирует с концентрацией замещающих атомов примеси меди (Си5) в кристалле. Авторы [5] относят этот уровень к комплексу, включающему атомы Сиг Впоследствии этот же комплекс был обнаружен в кристаллах Ое1 _ ^х(Си) (0 < х < 0.15), подвергнутых термообработке при 970—990 К [2]. Наиболее вероятной моделью для дополнительных глубоких акцепторов авторы [2, 5] считают комплекс из пары, состоящей из Си5 и мобильного дефекта, которым может быть вакансия или межузельный атом меди (Си,), углерода или кислорода. В [3, 4] было изучено влияние термической обработки, при температурах выше 1070 К, на спектр примесных состояний и электрические свойства кристаллов Ое1- Си, Sb). Дополнительный уровень, соответствующий акцепторному уровню Еч + 80 мэВ в германии с примесью меди, в образцах Ое1 _ ^^(Си, Sb) авторы не наблюдали.
В последние годы достигнуты значительные успехи в деле выращивания и контролируемого легирования типичными мелкими примесями (А1, Оа, 1п, Аз, Sb) кристаллов системы Ое-Si консервативными и неконсервативными методами [8-16]. Это обстоятельство дает возможность проводить более углубленные исследования, направленные на изучение взаимодействия примесей в сложнолегированных кристаллах твердых растворов Ое-Si, приводящих к образованию различных электроактивных центров.
499
8*
В настоящей работе на основе холловских измерений изучено влияние термической обработки в интервале 1050—1150 К на спектр примесных состояний в сложнолегированных кристаллах Ое^^Си, А1, 8Ъ> (0 < х < 0.20). Цель работы -определение возможности и условий образования электроактивных комплексов в кристаллах Ое и Ое-81, сложнолегированных типичной мелкой акцепторной примесью — алюминием и быстро-диффундирующей примесью меди.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы Ое и Ое—81 с содержанием 81 до 20 ат. %, легированные одновременно алюминием и сурьмой, выращивались модернизированным методом Бриджмена с использованием германиевой затравки и подпитывающего слитка кремния (последний применялся для получения твердых растворов) [8]. Заметим, что сурьма использовалась в качестве вспомогательной мелкой донорной примеси для управления степенью компенсации акцепторных состояний исследуемых примесей [17]. Это необходимо для выявления в холловских измерениях дополнительных уровней, возникающих в запрещенной зоне кристалла. Оптимальные технологические операционные параметры для получения заданного уровня и соотношения концентраций примесей в выращенных кристаллах определяли математическим моделированием распределения примесей в слитке на основе соотношений, полученных в [8, 15]. Образцы в форме прямоугольного параллелепипеда изготавливались из дисков толщиной ~1.5 мм, вырезанных из кристаллов в направлении параллельном фронту кристаллизации. Макрокомпозицию каждого из дисков (содержание атомов германия и кремния) определяли по их удельному весу [9]. Этот способ для системы Ое—81 является достаточно точным в связи с большим различием в удельных весах Ое (5.33 г/см3) и 81 (2.33 г/см3). В зависимости от соотношения концентраций примесей алюминия и сурьмы образцы обладали электронной или дырочной проводимостью. Образцы после соответствующей обработки и очистки поверхности [18] легировали медью диффузионным методом при температуре максимальной растворимости этой примеси в кристалле заданного состава [4]. После определения температурной зависимости коэффициента Холла в интервале 65—350 К образцы подвергались термической обработке при 1050—1150 К. При каждой температуре образцы выдерживали 4 ч. За это время устанавливалось равновесное состояние [2]. Закалку проводили сбрасыванием образцов в этиловый спирт при температуре сублимации сухого льда. Энергетические положения примесных состояний и их концентрации в термически обработанных кристаллах определяли на основе холловских измерений. Заметим, что преимуще-
ством этого метода является возможность достаточно точного определения концентрации и энергии активации примесных уровней [5] (за исключением близко расположенных уровней). Концентрацию свободных носителей заряда в образцах вычисляли из данных температурной зависимости коэффициента Холла с использованием значений холл фактора электронов и дырок в Ое и Ое—81 [19].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сложнолегированные образцы Ое и Ое—81 с концентрацией примесей алюминия (^А1) и сурьмы (Д8Ъ) порядка 1015—1016 см—3 обладают электронной (при N¡5!, > или дырочной (при N¡5!, < ^А1) проводимостью. После легирования образцов медью при 1150—1175 К температурный ход концентраций свободных носителей заряда в них проявляет соответствующие акцепторные состояния Си [4] в зависимости от величин и Д8Ъ. Кривые температурной зависимости концентрации свободных электронов или дырок в этих образцах хорошо описываются теорией в рамках уравнения электрической нейтральности с использованием данных [18] по энергии активации соответствующих уровней Сиг Термическая обработка этих кристаллов в интервале 1050—1150 К показала, что в образцах Ое(Си, А1, 8Ъ> и Ое1—х81х(Си, А1, 8Ъ> , закаленных с 1050—1080 К, образуются дополнительные глубокие акцепторные уровни, расположенные выше первого уровня Сиг Проявляются эти уровни в кристаллах с ДА1 порядка 1016 см—3, в которых акцепторный уровень примеси алюминия сильно или полностью компенсирован. На рисунке для примера представлены температурные зависимости концентрации дырок (р) для двух таких образцов — Ое(Си, А1, 8Ъ> и Ое08881012(Си, А1, 8Ъ>. До легирования медью эти образцы обладали электронной проводимостью, обусловленной примесью сурьмы с эффективной концентрацией N8* = ^8Ъ - ИА1, равной 6.5 х 1015 см—3 и 2.1 х 1015 см—3 соответственно в Ое и Ое0 88810 12. Заметим, что абсолютная концентрация примесей А1 и 8Ъ в образцах порядка 1016 см—3.
Экспериментальные данные рисунка, соответствующие зависимостямр от Тпосле легирования образцов медью (кривые 1 и 1*), достаточно хорошо описываются теорией [17] с учетом активации первого акцепторного уровня меди частично компенсированного электронами примеси сурьмы с концентрацией, равной Как видно из рисунка, термическая обработка образцов Ое(Си, А1, 8Ъ> и Ое0.88810.12 (Си, А1, 8Ъ> соответственно при 1050 и 1070 К приводит к росту наклона кривой р от Т в области низких температур (кривые 2 и 2*). Такое поведение свидетельствует о появлении дополнительного акцепторного
ЭЛЕКТРОАКТИВНЫЙ КОМПЛЕКС В ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ КРИСТАЛЛАХ
501
уровня, расположенного выше первого уровня Си^. Для установления природы этого уровня были проведены эксперименты по отжигу образцов. Как и в [2, 5], отжиг проводили при температурах 550—570 К. Результаты проведенных исследований показали, что при этих температурах происходит распад дополнительных акцепторов и отжиг в течение 20 ч приводит к их полному исчезновению. Кривые 3 и 3* на рисунке демонстрируют зависимости р от Т в рассматриваемых образцах после такого отжига. Обращает на себя внимание уменьшение наклона кривых р от Т в области низких температур после отжига образцов. Как видно, ход кривых 3 и 3* для обоих образцов во всем интервале температур достаточно хорошо описывается теорией с учетом действия частично компенсированного первого акцепторного уровня Сц с концентрацией, равной растворимости меди при температуре соответствующей термообработки образца. Здесь, как и в случае кривых 1 и 1*, эффективная
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.