НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 12, с. 1418-1422
УДК 537.311.33
ГЛУБОКИЙ ДОНОРНЫЙ ЦЕНТР В КРИСТАЛЛАХ Ge1 - xSix<Cu, In, Sb>
ПРИ 1050-1080 K © 2010 г. Г. Х. Аждаров*, З. М. Зейналов**, В. К. Кязимова*, Л. А. Гусейнли*
*Институт физики им. академика Г.М. Абдуллаева Национальной академии наук Азербайджана, Баку **Гянджинский государственный университет, Азербайджан e-mail: zangi@physics.ab.az Поступила в редакцию 18.09.2009 г.
На основе холловских измерений показано, что закалка сложнолегированных кристаллов Gei _ xSix(Cu, In, Sb) (0 < x < 0.20) при 1050—1080 K приводит к образованию в них дополнительных глубоких донорных центров. Энергетическое состояние этих центров расположено в нижней половине запрещенной зоны кристаллов Gei _ xSix и линейно зависит от состава матрицы. Отжиг кристаллов при 550—570 K приводит к исчезновению дополнительных донорных уровней. Показано, что наиболее вероятной моделью для дополнительных глубоких доноров является комплекс из пары, состоящей из замещающих атомов меди и индия (CusIns) или из межузельных атомов меди и замещающих атомов индия (Cu,Ins).
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые материалы Si, Ge и их твердые растворы являются базовыми материалами современной микроэлектроники. Спектры примесных состояний в этих материалах изучены достаточно подробно. Результаты исследований обобщены в ряде монографий и статей (см., например, [1—3]).
В последние годы достигнуты определенные успехи в выращивании и легировании объемных кристаллов твердых растворов системы Ge—Si с заданным составом и концентрацией примесей [4— 12]. Это обстоятельство стимулирует проведение более углубленного изучения взаимодействия примесей в сложнолегированных кристаллах твердых растворов системы Ge—Si, приводящих к образованию новых электроактивных центров в матрице.
Известно, что медь в кремнии, германии и в их твердых растворах является электрически активной примесью и существенно влияет на электрические свойства этих полупроводников в широкой области температур. Три глубоких акцепторных уровня в этих материалах относят к замещающим атомам этой примеси [1, 2]. В германии энергия этих уровней составляет Ev + 40 мэВ, Ev + 330 мэВ и Ес — 260 мэВ. Медь является быстродиффундирующей примесью в Ge, Si и Ge1 _ xSix, и поэтому распад ее пересыщенного раствора в этих кристаллах при термической обработке при различных температурах используется как метод прецизионного управления концентрацией этой примеси в матрице [13].
Однако тенденция быстродиффундирующих глубоких примесей к образованию соединений и комплексов с различными дефектами кристаллической решетки при термической обработке материа-
ла [14—19] может привести к созданию дополнительных электроактивных центров, существенно влияющих на электрические свойства матрицы. Определение условий создания таких центров и их параметров является важным вопросом при получении материала с заданными свойствами. В [14, 17] показано, что термическая обработка Ое(Си) и Ое1 _ хБ1х(Си) (0 < х < 0.15) при 970-990 К с последующей закалкой образца приводит к образованию дополнительного глубокого акцепторного уровня, энергия которого составляет Еу + 80 мэВ в германии и растет с содержанием кремния в матрице. Концентрация этого уровня коррелирует с концентрацией замещающих атомов примеси меди (Си5) в решетке кристалла. Наиболее вероятной моделью для дополнительных глубоких акцепторов можно считать комплекс из пары, состоящей из Си и мобильного дефекта. В [15, 16] изучено влияние термической обработки при температурах выше 1070 К на спектр примесных состояний и электрические свойства кристаллов Ое1 _ х81х(Си, БЪ). Дополнительные уровни, связанные с образованием новых электроактивных центров, не наблюдались.
В настоящей работе на основе холловских измерений изучено влияние термической обработки в интервале 1050-1150 К на спектр примесных состояний в сложнолегированных кристаллах Ое1 _ хБ1х(Си, 1п, БЪ) (0 < х < 0.20). Цель работы _ определение возможности и условий образования дополнительных электроактивных комплексов в кристаллах Ое и Ое1 _ хБ1х, сложнолегированных типичной мелкой акцепторной примесью _ индием, быстродиффундирующей примесью меди; в каче-
ГЛУБОКИЙ ДОНОРНЫЙ ЦЕНТР В КРИСТАЛЛАХ Ое1 _ ^х(Си, 1п, 8Ъ>
1419
стве вспомогательной мелкой донорнои примеси использовали сурьму.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы Ое1 _ (0 < х < 0.20), легированные одновременно индием и сурьмой с концентрациями порядка 1015—1016 см-3, выращивали модернизированным методом Бриджмена с использованием германиевой затравки и подпитывающего слитка кремния (кремний применяли при получении твердых растворов) [4]. Заметим, что сурьму использовали в качестве вспомогательной мелкой донорной примеси для управления степенью компенсации акцепторных состояний исследуемых примесей [20]. Это необходимо для выявления в холловских измерениях всех энергетических уровней в запрещенной зоне кристалла, связанных с примесными центрами и другими дефектами решетки.
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 [4, 11].
Образцы в форме прямоугольного параллелепипеда изготавливали из дисков толщиной ~1.5 мм, вырезанных из кристаллов в направлении, параллельном фронту кристаллизации. В зависимости от соотношения концентраций примесей индия (^1п) и сурьмы (Л^Ъ) образцы обладали электронной или дырочной проводимостью. После соответствующей обработки и очистки поверхности [2] образцы легировали медью диффузионным методом при температуре максимальной растворимости этой примеси в кристалле заданного состава [16]. После измерения температурной зависимости коэффициента Холла в интервале 65-350 К образцы подвергали термической обработке при 1050-1150 К. При каждой температуре образцы выдерживали 4 ч. За это время устанавливалось равновесное состояние [14]. Закалку проводили сбрасыванием образцов в этиловый спирт при температуре сублимации сухого льда.
Энергетические положения примесных состояний и их концентрации в образцах до и после их термической обработки определяли по данным холлов-ских измерений. Отметим, что преимущество хол-ловских измерений заключается в возможности достаточно точного определения концентрации и энергии активации примесных уровней [17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сложнолегированные образцы Ое(1п, Sb) и GeSi(In, Sb) с концентрацией примесей индия (^1п) и сурьмы (^Ъ) порядка 1015-1016 см-3 обладают электронной (при > ^1п) или дырочной (при
< ^1п) проводимостью. Как показали результаты
эксперимента, термическая обработка этих кристаллов в интервале 850-1175 К с последующей закалкой практически не влияет на их электрические свойства. После легирования этих образцов медью при 1150-1175 К температурный ход концентраций свободных носителей заряда в них проявляет соответствующие акцепторные состояния Си [2] в зависимости от значений ^1п и Температурные зависимости концентрации свободных электронов или дырок в этих образцах удовлетворительно описываются теорией в рамках уравнения электрической нейтральности с использованием данных [2] по энергии активации соответствующих уровней Си5.
Дальнейшая термическая обработка при 10501150 К показала, что во всех образцах, закаленных при 1050-1080 К, образуются дополнительные уровни, расположенные в нижней половине запрещенной зоны кристалла. Проявляются эти уровни в дырочных кристаллах с ^1п ~ 1016 см-3, в которых акцепторный уровень примеси индия сильно или полностью компенсирован.
На рис. 1 и 2 для примера представлены температурные зависимости концентрации дырок (р) для двух образцов Оед.с^.^Си, 1п, Sb), легированных медью при 1170 К и подвергнутых термообработке при 1060 К. До легирования медью один образец обладал дырочной, а другой - электронной проводимостью. Эффективные концентрации примесей индия №п = - ^5ъ) и сурьмы (N*Ъ = ^Ъ " ^1п) в первом и втором образцах составляли 3.3 х 1015 см-3 (рис. 1) и 2.6 х 1015 см-3 (рис. 2) соответственно. Заметим, что абсолютные значения концентрации этих примесей в обоих образцах порядка 1016 см-3. Экспериментальные данные рис. 1, соответствующие зависимостям р(Т) после легирования образца медью, достаточно хорошо описываются теорией [20] с учетом активации первого акцепторного уровня меди, шунтированного мелкими уровнями индия
с концентрацией, равной NЩ (кривая 1). Экспериментальные данные после термообработки образца при 1060 К (кривая 2), в отличие от кривой 1, демонстрируют экспоненциальный спад концентрации дырок в области низких температур. Такой ход р от Т характерен при активации частично компенсированного уровня в полупроводнике [20] и свидетельствует о появлении дополнительных центров донорного типа, полностью компенсирующих акцепторные состояния индия и частично первый уровень Сиг
Экспериментальные данные для второго образца после его легирования медью (рис. 2, кривая 1) достаточно хорошо описываются теорией с учетом активации первого акцепторного состояния Сиет частично компенсированного электронами примеси
сурьмы с концентрацией, равной N*Ъ. Отметим, что характер зависимости р(Т) после термообработки образца изменяется (кривая 2) - отчетливо проявля-
1420
АЖДАРОВ и др.
lgp [см 3]
16.5 г
15.5 -
14.5 -
13.5 -
12.5
10
103/Г, K
-1
15
20
Рис. 1. Температурные зависимости концентрации свободных дырок для образца Ое0.9 Б101 (Си, 1п, БЪ) с N *п =
= 3.3 х 1015 см_3, легированного медью при 1170 К (1), подвергнутого последующей термообработке при 1060 К (2) и затем отожженного при 660 К в течение 20 ч (3): линии _ результаты расчетов, наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными (1 _ с учетом действия первого уровня Си5 с ЕСи1 = Еу + 67 мэВ [2],
шунтированного мелкими уровнями индия с N *п = 3.3 х
15 _3
х 10 см 3; 2_ активными являются два уровня (частично компенсированный первый уровень меди и дополнительные доноры с Ес = Еу + 143 мэВ); 3 _ с учетом действия только первого шунтир
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.