научная статья по теме ГЛУБОКИЙ АКЦЕПТОРНЫЙ КОМПЛЕКС В ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ КРИСТАЛЛАХ GE SI GA,NI Химия

Текст научной статьи на тему «ГЛУБОКИЙ АКЦЕПТОРНЫЙ КОМПЛЕКС В ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ КРИСТАЛЛАХ GE SI GA,NI»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 4, с. 623-626

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ

УДК 537.311.33

ГЛУБОКИЙ АКЦЕПТОРНЫЙ КОМПЛЕКС В ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ КРИСТАЛЛАХ Ge-Si<Ga,Ni)

© 2014 г. Э. М. Исламзаде, З. А. Агамалиев, З. М. Захрабекова, Г. Х. Аждаров

Институт физики НАНАзербайджана, Баку E-mail: zangi@physics.ab.az Поступила в редакцию 24.04.2013 г.

На основе экспериментальных данных по температурным зависимостям концентрации свободных носителей заряда в сложнолегированных кристаллах Gei _ xSix (Ga,Ni) (0 < x < 0.25) установлено, что закалка образцов при 1020—1050 К приводит к образованию в них дополнительных центров акцепторного действия. Энергия активации этих центров растет с возрастанием содержания кремния в матрице и описывается соотношением Ek = Ev + (75 + 420х) мэВ. Отжиг кристаллов при 550—570 К приводит к исчезновению дополнительных акцепторных уровней. На основе анализа полученных данных показано, что наиболее вероятной моделью для этих глубоких акцепторов является комплекс, состоящий из замещающих атомов примесей никеля и галлия (NisGas) или междоузельного атома никеля и замещающего атома галлия (Ni,Gas). Установлена необходимость учета генерации дополнительных электроактивных центров в Gei _ xSix (Ga,Ni) при прецизионном управлении электронными свойствами кристалла методом распада пересыщенного раствора примеси никеля в матрице.

DOI: 10.7868/S0023476114040067

ВВЕДЕНИЕ

В ряду полупроводниковых твердых растворов (ТР) лидирующее положение занимает система Ge—Si, составные компоненты которой являются базовыми материалами современной микроэлектроники и фотовольтаики. Изучению энергетического спектра мелких и глубоких примесных центров в кристаллах Ge—Si посвящено много работ, результаты которых демонстрируют возможность модификации электронных свойств материала в широком диапазоне путем изменения состава матрицы.

В последние годы достигнуты значительные успехи в методе выращивания и контролируемого легирования объемных кристаллов ТР Ge—Si [1— 9]. Это обстоятельство открывает возможность проведения более углубленных исследований, связанных с изучением взаимодействия примесей в сложнолегированных кристаллах ТР Ge—Si, приводящих к образованию новых электроактивных центров в матрице. В [10—12] показано, что в кристаллах Ge и Ge—Si, легированных медью и одним из типичных мелких акцепторных примесей (Al, Ga, In), при термообработке в интервале 920—1080 К, возникают дополнительные электроактивные центры. Авторы связывают эти центры с комплексами, образующимися в матрице из замещающих атомов мелких акцепторных примесей и быстродиффундирующих атомов меди.

Никель, как и медь, в Si и Ge и в их ТР является быстродиффундирующей примесью и относится

к разряду мультиплетных глубоких акцепторных центров в этих материалах. Два уровня, наблюдаемые в этих материалах, относят к замещающим атомам этой примеси (Ni,). В германии энергии этих уровней составляют — Ev + 0.23 и Ev + 0.45 эВ [13]. В [14] определены закономерности изменения энергии активации акцепторных состояний никеля c составом кристаллов ТР Ge—Si. Данные этой работы позволяют определять энергии активации замещающих атомов никеля во всем интервале концентраций компонентов ТР Ge—Si. Известно, что большая скорость диффузии никеля в кристаллах дает возможность управлять концентрацией электроактивных атомов примеси путем термического отжига образцов при различных температурах [15]. С другой стороны, миграция части примесных атомов никеля при высокотемпературной обработке при определенных условиях может привести к образованию новых электроактивных комплексов с другими дефектами решетки, как и в случае с примесью меди.

В настоящей работе по данным холловских измерений исследовано влияние термической обработки в интервале 800—1100 К на спектр примесных состояний в кристаллах Ge (Ga,Ni) и Ge1- xSix(Ga,Ni) (0 < х < 0.25) с целью установления возможности и условий образования дополнительных электроактивных центров в кристаллах, подвергнутых термической обработке.

624

ИСЛАМЗАДЕ и др.

lgP [см-3] 16

15

14

13

10

12 14

103/Г, К-1

Температурные зависимости концентрации свободных дырок (р) для двух образцов — Ое(Оа,8Ь,М) (1—3) и Ое0^1ол(Оа,8Ь,№) (1*—3*): 1, 1* — после легирования образцов никелем соответственно при 1150 и 1165 К; 2, 2* — после термообработки соответственно при 1020 и 1030 К; 3, 3* — после отжига при 560 К в течение 18 ч. Сплошные линии — теоретические расчеты, дающие наилучшее согласие с экспериментальными данными.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Кристаллы Ge и Ge-Si, легированные одновременно галлием и сурьмой с концентрациями порядка 1015-1016 см-3, выращивались методами Бриджмена и направленного концентрационного переохлаждения расплава соответственно [3]. Оптимальные значения операционных технологических параметров для получения заданных концентраций примесей в выращенных кристаллах определяли моделированием концентрационного распределения примесей в слитках [3, 8]. Заметим, что сурьму, как мелкий донор в кристаллах, использовали в качестве вспомогательной примеси для управления степенью компенсации акцепторных состояний галлия и никеля в матрице [11, 16].

Образцы Ge и Ge-Si изготавливали из дисков толщиной 1.3-1.5 мм, вырезанных из слитков в азимутальном направлении [11]. В зависимости от соотношения концентраций мелких акцепторных (NGa) и донорных (NSb) примесей образцы обладали электронной или дырочной проводимо-

стями. После холловских измерений и последующих обработки и очистки поверхности образцов проводили легирование их никелем диффузионным методом при температуре максимальной растворимости этой примеси в материале [17]. Термическую обработку образцов проводили в интервале 800-1150 К. При каждой температуре образцы выдерживали в течение 4 ч, за которое устанавливалось равновесное состояние [10, 11]. Закалку проводили "сбрасыванием" образцов в этиловый спирт при температуре сублимации сухого льда. Энергию связи электроактивных центров и их концентрацию в образцах до и после термической обработки определяли на основе измерения коэффициента Холла в интервале 77350 К. Преимуществом этого метода является возможность достаточно точного определения концентрации примесных уровней (исключение составляют близко расположенные уровни) [18]. Концентрацию свободных носителей заряда в образцах определяли с использованием данных по холл-фактору электронов и дырок в Ge и Ge-Si [19].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В зависимости от соотношения концентраций мелких донорных (^ь) и акцепторных (^а) примесей образцы, легированные этими примесями, обладают электронной или дырочной проводи-мостями. Термическая обработка этих образцов в интервале 450—1150 К с последующей закалкой, как показали экспериментальные результаты, практически не влияет на их электрические свойства. В зависимости от эффективных значений концентраций примесей сурьмы (= N 8ь — N 0а,

^ь > ^а) и галлия (N(*а = ^ - ^ > Ж*) температурный ход концентрации свободных носителей заряда в образцах, легированных никелем при 1150—1180 К, проявляет первое или второе акцепторные состояния замещающих атомов этой примеси. Последующая термическая обработка образцов в интервале 800—1100 К показала, что в образцах, закаленных при 1020—1050 К, возникают дополнительные уровни, расположенные ниже первого акцепторного состояния №у. В хол-ловских измерениях эти уровни обнаруживаются в образцах с концентрацией галлия порядка 1016 см-3 при сильном уровне компенсации акцепторного состояния этой примеси. На рисунке для примера представлены температурные зависимости концентрации дырок (р) для двух таких образцов Ge<Ni,Ga,SЬ} и Ge0.9 8101<№^а,8Ь>. До легирования никелем оба образца обладали дырочной проводимостью, обусловленной приме-

сью галлия с NGa, равной 1.5 х 1015 см-3 в Ge и 1.1 х 1015 см-3 в Ge09Si01. Экспериментальные

6

2

4

8

ГЛУБОКИЙ АКЦЕПТОРНЫЙ КОМПЛЕКС

625

данные по зависимостям р от Т после легирования образцов никелем (кривые 1 и 1*) достаточно хорошо описываются теорией [16] с учетом активации первого уровня [14], шунтированного мелкими акцепторными состояниями галлия с соответствующей концентрацией N 0а. Как видно из рисунка, термическая обработка образцов Ое и 0е098101 соответственно при 1020 и 1030 К приводит к существенному изменению хода кривыхр от Т (кривые 2 и 2*). Здесь отчетливо проявляется активация двух различных уровней в образцах. Экспоненциальный спад р от Т в области низких температур, характерный при активации частично компенсированного уровня в полупроводнике [16], свидетельствует как о появлении дополнительных глубоких акцепторов (ГА) в матрице, так и о полной компенсации акцепторных состояний галлия с концентрацией N 0а. При высоких температурах рост р от Т определяется ионизацией первого уровня №г Для установления природы дополнительных ГА в кристаллах, закаленных при 1020 и 1030 К, проведены эксперименты по отжигу образцов. Как и в [10, 11], отжиг образцов проводили при 550—570 К. Установлено, что при этих температурах происходит распад ГА и отжиг в течение 16—20 ч приводит к их полному исчезновению. Кривые 3 и 3* на рисунке демонстрируют температурные зависимости концентрации дырок в рассматриваемых образцах после такого отжига. Как видно, для обоих образцов экспериментальные данные хорошо описываются теорией с учетом активации первого уровня с концентрацией, равной растворимости никеля при температуре, соответствующей термообработке образца. Заметим, что здесь, как и в случае кривых 1 и 1*, концентрации шунтирующих атомов галлия совпадают с соответствующими исходными эффективными концентрациями NGa в Ое и 0е098101. Анализ экспериментальных данных для образцов с различными исходными эффективными концентрациями примесей галлия и сурьмы показывает, что наиболее вероятными кандидатами, приводящими к образованию ГА, следует считать пары М^Оа^ или №(-0аг Процесс образования этих пар, согласно [10, 11], можно представить в следующем виде. Избыточная концентрация по сравнению с равновесной при температуре отжига переходит из узлов в междоузлия N1 ^ ^ N1,- + V (V — вакансия). Час

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»