Книги по разным темам Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Влияние примесного германия на свойства центров серы в кремнии й М.С. Юнусов, М. Каримов, Б.Л. Оксенгендлер, А. Юсупов Институт ядерной физики Академии наук Узбекистана, 702132 Улугбек, Узбекистан (Получена 13 марта 1996 г. Принята к печати 24 октября 1996 г.) Исследовано влияние атомов германия в n-Si P, Ge, S на параметры центров серы. Обнаружено увеличение концентрации некоторых центров, связанных с атомами S, и небольшое смещение их локальных уровней. Обнаруженные эффекты объясняются влиянием упругих деформаций, вызванных присутствием Ge в узлах кристаллической решетки кремния, на межузельную конфигурацию S. Упругая деформация индуцирует эффект вибронного усиления в таких ян-теллеровских центрах.

Введение и E6 в [17] связываются с узловым состоянием атомов S;

E4 и E6 в [15] Ч с комплексами с участием межузельных В работах [1Ц2] было исследовано влияние примесного атомов Si, а E3 Ч с парой атомов S или атома S с Fe [9].

Ge, а также других изовалентных примесей в кремнии Кроме того, в работах [13,14,17,18] показано, что, вона ряд свойств переходных элементов (дополнительно первых, концентрация центров с энергиями ионизации введенных в Si диффузионным образом) на коэффициент E3, E4, E6 составляет порядка 10 % от общей концентраих диффузии, на термический распад их электрически ции электрически активных центров S в Si; во-вторых, активных центров и т. п. Эти эффекты авторы связы- эти центры образуются не регулярно, т. е. наблюдается вают с механическими напряжениями, обусловленными зависимость их образования от температуры диффузии деформацией кристаллической решетки из-за разницы и режима последиффузионной закалки [14,18].

ковалентных и ионных радиусов Si и изовалентной приКак видно, несмотря на многочисленные исследовамеси. Как показывают исследования ряда авторов [3Ц7], ния примесных центров S в Si, пока нет их четкой такие напряжения обусловливают скопление вакансий однозначной модели. В этой ситуации мы исходили из вокруг изовалентной примеси Ges, образование комследующих соображений. Если центр S представляет плексов Ges + V и кластерирование в кремнии. По собой центр замещения, то введение внутренних упругих мнению авторов, эти эффекты влияют на процессы радиполей, обусловленных атомами Ge, сильно не скажется ационного дефектообразования. На наш взгляд, вполне на положении локальных уровней таких центров, хоестественно ожидать влияния таких деформационных тя можно ожидать увеличения растворимости S из-за полей как на особенности дефектообразования, так и на возникновения вакансий, индуцированных упругими поэнергетический спектр примесей с глубокими уровнями.

ями изовалентного германия [19]. Дополнительные В связи с этим было исследовано влияние примесного Ge сложности появляются, если центр S является каким(NGe = 5 1018 5 1019 см-3) на параметры центров S в то вариантом межузельного состояния S, поскольку токремнии (n-Si P, Ge, S ).

гда возможна реализация эффекта или псевдоэффекта Следует отметить, что вопрос о состояниях S в криЯнаЦТеллера [20]. В этом случае упругая деформация, сталлической решетке Si и о связи наблюдаемых на эксвозникающая от атомов Ge, кроме генерации дополниперименте разнообразных энергетических уровней иментельных вакансий V, включает так называемый эффект но с этими состояниями является чрезвычайно сложным.

вибронного усиления [20]. Это, во-первых, приводит к Поэтому, несмотря на обильность экспериментальных смещению локальных уровней и, во-вторых, к изменению результатов по этому вопросу, даже сегодня очень трудрастворимости такого центра S.

но однозначно утверждать, какие именно состояния S реализуются в Si и какие энергетические уровни они обусловливают. Например, в существующей литературе Методика эксперимента приводится большое количество примесных центров S в кремнии с соответствующими энергетическими уровня- Легирование примесью серы осуществлялось метоми [8Ц18]: дом термодиффузии при температуре порядка 1000C в течение 20 ч с последующим быстрым охлаждениE1 = Ec - 0.13 эВ, E2 = Ec - 0.27 эВ, E3 = Ec - 0.36 эВ, ем ( 250C/мин). В качестве исходных образцов использовался n-Si P, Ge, S с удельным сопротивлением E4 = Ec - 0.5эВ, E5 = Ec -0.18 эВ, 10 50 Ом см. Одновременно серой легировались и контрольные образцы n-Si P, не содержащие изоваE6 = Ec - 0.31 эВ, E7 = Ec - 0.62 эВ.

ентной примеси Ge, но с близкими электрическими Обнаруженные глубокие уровни E3 и E5 в [8], E2 и E4 параметрами. Измерение параметров глубоких уровней в [12], E1, E3, E5 и E7 в [10], E1, E3 и E5 в [11], E1, E2, E3, производилось с помощью метода релаксационной спекE4 в [14,18], E3, E4, E5 и E6 в [15], E6, E7 в [16], E1, E2, E4 троскопии глубоких уровней (DLTS) [21]. ТемпературВлияние примесного германия на свойства центров серы в кремнии Исследованные центры Тип образцов Параметры центров E1 E2 E3 EE, эВ Ec -0.13 Ec - 0.257 Ec - 0.36 Ec - 0.Si P, S N, см-3 3 1012 2.8 1012 < 1011 1.7 n, см2 - 5.4 10-14 - 5 10-Si P, Ge, S E, эВ Ec -0.13 Ec - 0.265 Ec - 0.37 Ec - 0.NGe 5 1019 см-3 N, см-3 3.5 1012 3.8 1012 3.8 1012 4 n, см2 - 7.2 10-14 4.1 10-14 2.2 10-ная зависимость скорости носителей тока определялась Начальные условия: при t = 0 NV = NV ; NI = NI0;

i i i путем измерения окон стробирования с измерительными NS =(NS)0. Здесь NV, NI, NGe, NS Ч концентрации ваканвременами релаксации заряда t1 = 0.2 20 мс, t2 = 2t1 сий собственных межузельных атомов Si и Ge в узлах, а после импульса заполнения глубоких уровней основны- также атомов S в междоузлиях соответственно; NV /V, ми носителями тока. В качестве выпрямляющих контак- NI/I Ч вероятности ухода вакансий V и собственных тов на n-Si использовались барьеры Шоттки, полученные межузельных атомов кремния I на стоки; t Ч время напылением Au после удаления поверхностных слоев Si, охлаждения и протекания всех квазихимических реакций насышенных S. (КХР). Полагая, что 1/V k2NV, получим NI =NI0 exp(-t/I).

Результаты эксперимента и их i Далее, если [k1NI, k4NS] < [k2NGe, 1/V ], то обсуждение NV =NV exp - (1/V + k2NGe)t.

Результаты обработки полученных спектров DLTS приведены в таблице, из которой видно, что в контрольТогда, в свою очередь ных образцах n-Si P, S наблюдается известный спектр энергетических уровней серы [18]. Наличие атомов Ge i dNS 0 i в Si приводит, во-первых, к повышению концентрации = -k4NV NS 0 exp - (1/V + k2NGe)t, dt центров S (особенно центров с энергиями E3 и E4) и, во-вторых, к небольшому смещению положений их что дает энергетических уровней.1 Отметим, что аналогичное i i 0 i NS(t) = NS 0 -k4NV NS)0 -(1 -exp(-t/ ), явление наблюдалось в Si, легированном Ge и Au [22], а также Ge и Mn [23]; механизм этого явления в где 1/ = 1/V + k2NGe, ki Ч константы соответствую отмеченных работах остался не раскрытым. Возвращаясь щих КХР. Таким образом, имеем кинетику для конценк нашему случаю, заметим, что если центр S с энергией i трации межузельных атомов серы NS(t), зависящую от ионизации Ec - 0.36 эВ в образцах без Ge имеет при темконцентрации атомов Ge, причем dNS/dNGe > 0.

пературе диффузии 1000C очень малую концентрацию Теперь рассмотрим вопрос о возможном влиянии изо(< 1011 см-3), то в образцах с Ge концентрация этого валентной примеси Ges на электронный спектр других центра значительно повышается ( 4 1012 см-3).

примесей, которыми легирован Si. Здесь необходимо Проанализируем полученные результаты с точки зреразличить 2 случая: проявляется эффект ЯнаЦТеллера ния влияния атомов Ge на концентрацию свободных вадля атома примеси или нет.

кансий, а также возникающих деформаций Ч на характер Примесь не имеет эффекта ЯнаЦТеллера. В этом янЦтеллеровских искажений конфигурации межузельслучае потенциальная энергия примеси с захваченным ной S, т. е. на расщепление p-состояний в поле симметрии электроном в упругом поле V = V0(a/R)3 атома Ge Td. Рассмотрим систему кинетических уравнений имеет вид dNV i = -k1NINV - k2NV NGe - NV /V - k4NV NS, a dt V(q) =(q) +V0, R+q dNI = -k1NINV - NI/I, dt где (q) =0 +(1/2)q2 Ч энергия локального центра в зависимости от смещения атома примеси (q) от центра i dNS i его локализации, <0; V0 Ч параметр упругого взаи= -k4NV NS.

dt модействия; a Ч межатомное расстояние; Чупругая константа центра с захваченным электроном; R ЧрасВ принципе это смещение лежит в пределах kT, однако оно всегда происходит в сторону углубления уровня. стояние между примесным центром и атомом Ge.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 710 М.С. Юнусов, М. Каримов, Б.Л. Оксенгендлер, А. Юсупов для межузельных конфигураций. Поэтому существование разброса по энергии локального электронного уровня (см. сноску1), по-видимому, связано с межузельной конфигурацией примеси S.

1. Заключение Фазовые диаграммы T -R, где T Ч температура, R Ч расстояние между атомом изовалентной примеси и неизовалентным Таким образом, полученные экспериментальные редефектом для случаев, когда дефект: a Ч не имеет эффекзультаты и представленные теоретические соображета ЯнаЦТеллера, b Ч имеет этот эффект. Понижение элекния позволяют в рамках одних и тех же квазихимитронного уровня дефекта в областях, обозначенных знаками:

ческих приближений непротиворечиво связать физико Чзаметно, Ч смазано температурными колебаниями.

химические явления, происходящие в материале при введении в него изовалентной примеси, и электронные свойства глубокоуровневой примеси, введенной в такой Поскольку материал.

a a3 q 1 - 3, Работа подддержана Фондом развития науки ГосуR + q R3 R дарственного комитета по науке и технике Республики Узбекистан.

то q = 6V0a3/R4, поэтому локальный уровень повыша ется и его энергия становится равной Список литературы 2 6V0a3 2 const (q) =0 + =0 +.

2 R4 R[1] М.К. Бахадырханов, Ф.М. Талипов, У.С. Джурабеков. Письма ЖТФ, 16, 77 (1990).

Величина постоянной в этом равенстве весьма мала, так [2] Ф.М. Талипов, Р. Хамидов. Письма ЖТФ, 19, 23 (1993).

что высокая степень при R делает эффект смещения [3] В.Г. Голубев, В.В. Емцев, П.М. Клингер, Г.И. Кропотов, ощутимым только вблизи примеси, что возможно при Ю.В. Шмарцев. ФТП, 26, 574 (1992).

аномально высоких концентрациях Ge. Отметим, что та[4] В.И. Кузнецов, П.Ф. Лугаков, А.Р. Салманов, А.В. Цикукой сдвиг уровня на фоне температуры может быть заменов. ФТП, 23, 1492 (1989).

чен лишь, если выполняется неравенство: const/R8 > kT [5] М.Я. Дашевский, Д.Н. Корляков, Е.А. Ладыгин, А.М. Му(рисунок, a).

салитин, Б.А. Шилин. ФТП, 24, 2073 (1990).

Примесь имеет эффект ЯнаЦТеллера. В этом слу[6] Л.И. Хируненко, В.И. Шаховцов, В.К. Шинкаренко, чае, когда электрон захвачен на вырожденную орбиталь, Л.И. Шпинар, И.И. Ясковец. ФТП, 21, 562 (1987).

потенциальная энергия атома примеси в решетке имеет [7] G.D. Watkins. Trans. IEEE, NS-16, 13 (1969).

[8] R.O. Carlson, R.N. Hall, M. Pell. J. Phys. Chem. Sol., 8, вид 1 (1959).

V(q) = Kq2 - q, [9] C.W. Ludwig. Phys. Rev., 137, A1520 (1965).

[10] W.E. Krag, W.H. Kleiner, H.J. Zeiger, S. Fischler. J. Phys. Soc.

так что минимум потенциала находится в точке Japan, Suppl. 21, 230 (1966).

q0 =/k, а энергия локального уровня понижается на [11] D.L. Camphausen, H.M. James, R.J. Sladek. Phys. Rev. B, 2, =2/2K (здесь Ч вибронная константа, K Ч 1899 (1970).

упругая постоянная локального центра без захватыва[12] L.L. Rosier, C.T. Sah. Sol. St. Electron., 14, 41 (1941).

емого электрона [20]). Учет упругого взаимодействия [13] М.С. Юнусов, Ш. Махкамов, М. Каримов. ФТП, 10, с атомом Ges делает барьер между янЦтеллеровскими (1976).

минимумами равным [14] М.С. Юнусов, М. Каримов, Н.А. Турсунов. Радиационноактивируемые процессы в кремнии (Ташкент, Фан, 2 a3 const 1977) с. 146.

Q +Q= +3V0 = Q +, 2K KR4 R[15] А.А. Лебедев, А.А. Лебедев. ФТП, 17, 2152 (1983).

[16] H.G. Grimmeiss, M. Kleverman. J. Phys. Chem. Sol., 49, где Q Чбарьер между эквивалентными минимумами (1988).

в адиабатическом потенциале с учетом эффекта Яна - [17] G. Pensl, G. Roos, C. Holm, P. Wagner. Defects in Теллера; Q Ч дополнительный барьер в асимметричSemiconductors, ed. by H.J. van Bardeleben. (Mater. Sci.

ном адиабатическом потенциале при воздействии упруForum., v. 10Ц12, 1986) p. 911.

гих полей, возникающих, от присутствия в решетке [18] М.С. Юнусов, М. Каримов, Р.Х. Кочкаров, А.А. Каримов.

кремния атомов Ge. Условие заметности асимметричДАН УзР, 6, 22 (1991).

ного расположения примеси имеет вид Q +Q> kT [19] Е.В. Соловьева, М.Г. Мильвидский. ФТП, 17, 2022 (1983).

(рисунок, b).

[20] И.Б. Берсукер. Электронное строение и свойства Исследования [24,25] показывают, что для примесей координационных соединений (М., Мир, 1986).

типа S ян-теллеровские эффекты вполне реальны именно [21] D.V. Lang. J. Appl. Phys., 45, 3023 (1974).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние примесного германия на свойства центров серы в кремнии [22] М.С. Саидов, А. Юсупов, И.Г. Атабаев. В кн.: Тез. докл.

II Всес. совещ. по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980) с. 118.

[23] Ш.Б. Утамурадова, Т.А. Умаров, В.Э. Рафикова, Р.М. Эргашев. В кн.: Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков (Ташкент, Фан, 1995) с. 87.

[24] G.G. DeLeo, G. Watkins, W. Fowler. Phys. Rev. B, 37, (1988).

[25] S. Pantelides, W. Harrison, F. Yndurian. Phys. Rev. B, 34, (1986).

Редактор Т.А. Полянская The influence of Ge atoms on S-centers in silicon M.S. Yunusov, M. Karimov, B.L. Oksengendler, A. Yusupov Institute of Nuclear Physics, Academy of Sciences of Uzbekistan, 702132 Ulugbek, Uzbekistan

Abstract

In this paper, the influence of Ge atoms on parameters of a set of sulfur centers in samples of n-Si P, Ge, S has been investigated. An increase in the concentration of certain sulfur centers and an insignificant displacement of their local electron levels was found. Effects under consideration were explained in terms of an elastic deformation due to Ge atoms in the silicon lattice sites, which distorts configuration of sulfur atoms thus inducing the effect of vibronic enhancement at JahnЦTeller centers of this type.

   Книги по разным темам