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.