НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 8, с. 838-842
УДК 621.315.592
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОЗАРЯДНЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ АТОМОВ
МАРГАНЦА С АТОМАМИ СЕЛЕНА И ТЕЛЛУРА В КРЕМНИИ © 2015 г. М. К. Бахадырханов*, З. М. Сапарниязова**, Х. М. Илиев*, К. А. Исмайлов**
*Ташкентский государственный технический университет, Узбекистан **Каракалпакский государственный университет, Нукус, Узбекистан e-mail: mzlixa@mail.ru Поступила в редакцию 17.10.2014 г.
Исследовано взаимодействие многозарядных кластеров атомов марганца с примесными атомами Se и Te в кремнии, как при одновременном, так и при последовательном легировании. Установлено, что при определенных условиях термоотжига после диффузионного легирования происходит интенсивное взаимодействие Mn с примесями Se, Te. Определена оптимальная температура взаимодействия, предложен механизм взаимодействия, показана возможность формирования многокомпонентных нанокластеров типа Si2Mn2- Se2+, Si2Mn2- Te2+, которые образуются без существенных нарушений химических связей в решетке кремния.
DOI: 10.7868/S0002337X15070039
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] приведены результаты исследования взаимодействия многозарядных нанокластеров атомов марганца с атомами серы в решетке кремния. Полученные данные позволяет предполагать, что в результате таких взаимодействий могут формироваться многокомпонентные кластеры 812Мп2- 82+. Также определены оптимальные термодинамические и технологические условия формирования таких кластеров. Представляет интерес исследование взаимодействия многозарядных нанокластеров атомов марганца с другими элементами VI группы, такими как селен и теллур.
ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ
В отличие от других элементов группы железа Периодической таблицы атомы марганца в кремнии в основном находятся в межузельных состояниях и, отдавая свои внешние 4«2-электроны, создают два глубоких донорных уровней Е1= Ес — 0.27 эВ и Е2 = Ес — 0.5 эВ в кремнии, действуя как двукратно заряженные ионы Мп2+, обладающие сравнительно мощными магнитными моментами (ж = 5/2, 3d5) [2, 3]. Установлено [4, 5], что в условиях сильной компенсации, т.е. когда концентрации электроактивных атомов марганца (^Мп) и бора (^В), существенно больше концентрации свободных дырок в валентной зоне (при Т = 300 К) ^Мп = ЫВ > р, происходит процесс самоорганизации, т.е. формирование нанокластеров марганца. Такие нанокластеров состоит из четырех ионов Мп2+, находящихся в соседних междоузли-
ях в решетке кремния вокруг отрицательно заря-
женного бора
(Mn) B-"
7+
и имеют размеры
=2 нм. Следует отметить, что нанокластеры в отличие от других кластеров примесных атомов в полупроводниках, созданных различными современными технологическими методами [6, 7], действуют как многозарядные кластеры, обладающие достаточно мощными магнитными момента-
ми
(s = 45 = 10
создающие вокруг себя
достаточно сильный электрический потенциал и магнитное поле. Действительно, как показано в работах [8, 9], в кремнии с такими нанокластера-ми наблюдаются аномально высокое отрицательное магнитосопротивление при 300°С
100%
гигантская примесная фотопрово-
димость, существенное расширение спектра фотопроводимости (X =1.5—8 мкм) и др.
Можно предположить, что наличие таких нано-кластеров в решетке кремния приведет к существенной перестройке дефектной структуры решетки (вокруг нанокластера), а также взаимодействию с другими видами дефектов. Такие взаимодействия позволят получить информацию не только о стабильности нанокластеров, но также об особенностях взаимодействия и формирования новых типов многокомпонентных кластеров примесных атомов в решетке кремния. Примесные атомы селена в кремнии создают по два донорных энергетических уровня и могут образовывать различные молекулы (Бе2, 8е3.... 8еи) [10, 11]. В условиях сильной компенсации атомы селена и теллура в ре-
Таблица 1. Электрические параметры образцов после диффузии при ? = 1150°С
Образец ТП p, Ом см ц, см2/(В с) n, p, см 3
Si(B,Mn) p (3-6) x 103 90-120 (2.3-1.1) x 1013
Si(B,Se) n 25-30 1150-1200 (2.5-3) x 1014
Si(B,Te) n 9-12 1100-1150 (5-3) x 1014
Si(B,Mn,Se) n 25-30 1150-1200 (2.5-3) x 1014
Si(B,Mn,Te) n 9-12 1100-1150 (5-3) x 1014
Примечание. ТП — тип проводимости.
шетке кремния в основном находятся в виде двукратно положительно заряженных ионов 8е2+ и Те2+. Поэтому в обычных условиях, по существующим классическим моделям, между многократно положительно заряженными нанокласте-рами атомов марганца и двукратно положительно заряженными ионами селена и теллура взаимодействие практически невозможно. В связи с этим можно предположить, что взаимодействие возможно только в случае перестройки дефектной структуры в решетке. Целью данной работы являлось исследование взаимодействия этих примесных атомов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для обеспечения условий сильной компенсации в качестве исходного материала использован монокристаллический кремний р-типа с удельным сопротивлением р = 2 Ом см (р = 2 х 10 см16 см-3). Были изготовлены три партии образцов: легированных только марганцем(1), только селеном или теллуром(П), одновременно марганцем и селеном или марганцем и теллуром(Ш). Диффузия проводилось из газовой фазы, давление паров примесных атомов достаточно для условия диффузии из постоянного источника. С учетом коэффициента диффузии исследуемых примесных атомов время диффузии выбрались таким образом, чтобы во всех трех партиях обеспечивалось равномерное легирование образцов по всей толщине (размер образцов 0.8 х 0.3 х 0.07 см). Электрические параметры исходных образцов, условия диффузии и последиффузионной обработки были идентичными. Как известно [12], в процессе диффузии 8е и особенно Те происходит сильная эрозия поверхности кремния, что не позволяет обеспечить равномерное легирование, а также точно определить диффузионные параметры и растворимости этих примесей в кремнии. Поэтому нами разработан способ многоэтапной диффузии, сущность которой заключается в постепенном и поэтапном увеличении температуры. При этом температура диффузанта (8е, Те) всегда была на 650-750°С ниже, чем температура образца. При таких условиях диффузии практически полностью исключена эрозия поверхности крем-
ния, обеспечены равномерное легирование, максимальная концентрация электроактивных атомов легирубщих элементов при данной температуре. Диффузия проводилось в области температур, при которых обеспечивается условие сильной компенсации для образцов Si(B,Mn) и формирование нанокластеров ионов марганца с максимальным зарядовым состоянием. Как показали результаты исследования, оптимальной температурой диффузии для исходного ^-крем-ния с р = 2 Ом см является 1150°С.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В табл. 1 приведены основные электрические параметры трех партий образцов после диффузии при 1150°С, определенных по эффекту Холла.
Как видно из табл. 1, параметры образцов Si (B,Mn,Se) и Si(B,Mn,Te) практически не отличается от параметров образцов Si (B,Se) и Si (B,Te), поэтому можно предположить, что электрические параметры образцов II и III партий в основном определяется концентрацией электроактивных атомов Se и Te. Действительно, как показали спектральные зависимости фотопроводимости, образец Si(B,Mn) обладает гигантской примесной фотопроводимостью в области X = 1.5—8 мкм (рис. 1, кривая 1) и в нем наблюдается аномально высокое отрицательное магнитное сопротивление (рис. 2, кривая 1), которое свидетельствует о многозарядных магнитных кластерах ионов марганца. В образцах Si(B,Mn,Se), Si(B,Mn,Te), а также Si(B,Se) и Si(B,Te) имеет место незначительное положительное магнитное сопротивление, значение которого очень слабо зависит от величины магнитное поля (рис. 2, кривые 2, 3), в этих образцах наблюдается достаточно слабая фотопроводимость по сравнению с Si(B,Mn) (рис. 1. кривые 2, 3). Эти результаты дают возможность предположить, что при таких условиях диффузии взаимодействие нанокластеров ионов марганца с атомами Se и Te отсутствует. Все три партии образцов подвергались дополнительному низкотемпературному отжигу. В табл. 2 проведены электрические параметры образцов Si(B,Mn), Si(B,Se) и Si(B,Mn,Se) отожженных в течение 5 ч в интервале температур 600—850°С. Как видно из табл. 2 в
E, эВ
Рис. 1. Спектральные зависимости фотопроводимости Si(B,Mn) р-типа (с нанокластерами) (1), Si(B,Mn,Se)р-типа (2), Si(B,Mn,Te)р-типа (3).
исследуемой области температур в образцах Si(B,Mn) происходит распад и они приобретают свои исходные (до диффузионного легирования) параметры, что соответствует результатам [13]. Электрические параметры образцов Si(B,Se) практически не меняются, что свидетельствует о термостабильности твердого раствора Si—Se, что связано с достаточно низким коэффициентом диффузии Se в исследуемых интервалах температур отжига (DSe = 1012—1013 см2/с).
Картина существенно меняется в образцах Si(B,Mn,Se) с повышением температуры отжига: при t > 600°С удельное сопротивление образцов Si(B,Mn,Se) резко увеличивается, а при дальнейшем увеличении температуры происходит уменьшение р. При t = 800°С происходит инверсия знака проводимости и р существенно уменьшается, а при t = 820—830°С образцы приобретают исход-
Др/р, %
Рис. 2. Зависимости магнитосопротивления образцов 81 с нанокластерами от величины магнитного поля при Т = 300 К (1—3 — см. подп. к рис. 1).
ные электрические параметры, т.е. переходят в додиффузионное состояние.
На табл. 3 показано влияние низкотемпературного отжига в области 500—750°С на электрические параметры образцов 81(В,Мп), Б1(В,Те) и 81(В,Мп,Те). Как видно из табл. 3, и в этом случае мы наблюдаем интересные результаты для образцов 81(В,Мп,Те), параметры которых в области температур отжига 640—650°С приобретают свое исходное значение, хотя при этом электрические параметры Б1(В,Те) сохраняет свое после диффузионное значение. Аналогичные результаты получены для образцов, легированных последовательно: т.е. сначала 8е или Те, затем дополнительно марганцем.
Таблица 2. Электрические параметры образцов Si(B,Mn), Si(B,Se) и Si(B,Mn,Se), отожженных в течение 5 ч
ТП p, Ом см ТП p, Ом см ТП p, Ом см ТП p, Ом см ТП p, Ом см ТП p, Ом
Образец
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.