CC BY
4
УДК 621.382.021.14
Усманов Ж.И. научный исследователь Бухарский филиал Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ УРОВНЯ ФЕРМИ НА ФОТОПРОВОДИМОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
SI< B, MN> С
Аннотация: Данная работа посвящена изучению спектральной зависимости фотопроводимости монокристаллического кремния Si<B, Ып>с различной концентрацией бора и фосфора, легированного атомами марганца, от положения уровня Ферми. Исследование является продолжением изучения влияния многократно заряженных центров на время жизни носителей заряда в кремнии с многозарядными центрами, проведённым автором статьи.
Ключевые слова: нанокластер, наноструктур, фотогенерации, термолизации, фоточувствительность, наноразмер.
Usmonov J.I. scientific researcher
Bukhara branch of the Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural
Mechanization Engineers
STUDY OF THE INFLUENCE OF THE POSITION OF THE FERMI LEVEL ON THE PHOTOCONDUCTIVITY OF SINGLE CRYSTALLINE
SILICON Si< B, MN> с
Annotation: This work is devoted to the study of the spectral dependence of the photoconductivity of single-crystal silicon Si < B, Mn > with different concentrations of boron and phosphorus doped with manganese atoms on the position of the Fermi level. The study is a continuation of the study of the influence of multiply charged centers on the lifetime of charge carriers in silicon with multiply charged centers, carried out by the author of the article.
Key words: nanocluster, nanostructures, photogeneration, thermolization, photosensitivity, nanosize.
Использование методов ЭПР и АСМ показало, что при определенных термодинамических условиях можно формировать нанокластеры атомов марганца в решетке кремния, состоящего из четырех атомов марганца, находящихся в эквивалентных соседних междоузлиях, вокруг отрицательно заряженного атома бора. Нами были установлены основные условия
формирования таких кластеров, где атомы марганца находятся в ионизированном состоянии (Мп+, Мп++). Показано, что в зависимости от зарядового состояния атомов марганца структура таких кластеров
[(мпXп (б)"1 ]+(п 1 - (значение п меняется от 4 до 8), и их размер составляет от 1,5 до 3 нм. Такие кластеры не только являются наноструктурой в решетке кремния, но и могут действовать как многозарядные центры, заряд которых
меняется от [(мп)+4 (б)"1 ]+3 до [(мп)^8 (б) ]+7.
На основе монокристаллического кремния р-типа с р~5 Ом-см, управляя условиями диффузии, были изготовлены образцы с удельными сопротивлениями р=102^105 Ом-см, как компенсированные р- так и перекомпенсированные п-типа.
Методом эффекта Холла определены основные электрофизические параметры полученных образцов, а также положения уровня Ферми при 7=300 К (таблица 1).
Таблица 1- Основные электрофизические параметры Si<B,Mn> с __ нанокластерами атомов марганца. _
№ Тип р, Ом-см см2/В- с Мн, р , см-3 ^ эВ
1 Р 2-102 213 1,46-1014 Еу+0,300
2 Р 8-102 90 8,68-1013 Еу+0,314
3 Р 8-103 63 1,24-1013 Еу+0,364
4 Р 2-104 80 3,94012 Еу+0,394
5 Р 4-104 75 1,98-1012 Еу+0,412
6 Р 2-105 188 1,66-Ю11 Еу+0,476
7 п 104 1218 5Д3-1011 Ее -0,451
8 п 4-104 1012 2,47-Ю11 Ее -0,470
В результате исследования состояния атомов марганца в решетке методом ЭПР установлено, что в образцах р-типа с положением уровня Ферми F=Eу+0,3 наблюдаются спектры, связанные с нанокластерами атомов марганца. В перекомпенсированных образцах п-типа, легированных марганцем, независимо от положения уровня Ферми такие спектры не были обнаружены, что свидетельствует об отсутствии или очень небольшой концентрации нанокластеров.
Фотоэлектрические свойства полученных образцов были исследованы с помощью ИКС-21 в интервале 7=77^300 К, при одинаковых условиях. Чтобы избежать попадания фоновых освещений, перед окошком криостата были поставлены фильтры из полированного монокристаллического кремния толщиной 300 мкм.
На рисунке 1 представлены спектральные зависимости фотопроводимости (ФП) образцов с различными значениями положения уровня Ферми как п- так и р-типа. Как видно из рисунка, в образцах р-типа с р=(6^8)-103 Ом-см, в которых были обнаружены нанокластеры с
максимальной концентрацией 1014 см-3), фото ответ начинается с ^у=0,16 эВ и с ростом энергии падающих фотонов фототок непрерывно и скачкообразно увеличивается, и имеет максимальное значение при hv=0,75^0,8 эВ, т.е. в таких образцах наблюдается очень высокая примесная ФП в области ^у=0.16^0,8 эВ (А=1,55^8 мкм) (кривая- 6). При смещении положения уровня Ферми вверх, т.е. с увеличением удельного сопротивления, начало фото ответа смещается в сторону высоких энергий фотонов, а в образцах практически сохраняется высокий уровень фоточувствительности в исследуемой области спектра (кривые- 3^5). Таким образом, установлено, что меняя положение уровня Ферми в образцах ^-типа можно управлять началом фото ответа в интервале ^у=0,16^0,4 эВ. Следует отметить, что обнаруженный фото ответ в образцах при hv=0,16 эВ (8 мкм), с одной стороны, показывает существенное расширение спектральной области фоточувствительности в кремнии, которое практически невозможно получить в области 7>100 К с другими примесными атомами. Это позволяет создать высокочувствительные фотоприемники для работы в области А=0,55^8 мкм. С другой стороны, аномально максимальная фоточувствительность таких образцов в области А=1,55 мкм (hv=0,8 эВ), позволяет создать очень чувствительные фотоприемники необходимые для волоконно-оптических линий связи и оптоэлектронных систем, в которых обычно используются лавинно- пролетные диоды на основе соединений А1УБУ со сложной структурой.
Также следует отметить тот факт, что атомы марганца в кремнии создают донорные уровни с энергией ионизации El= Ec-0,27 и E2= Ec-0,5 эВ. Поскольку исследуемые образцы являются ^-типа, они не могут участвовать в области ^у=0,16^0,4 эВ. Тогда возникает вопрос - какова природа энергетических уровней, обеспечивающих высокую фоточувствительность в области 16^0,8 эВ? Нам кажется, что формирование нанокластеров существенно меняет энергетические структуры электронов в зависимости от
I, А
т—-1-1-1-1-1-1-1-1—
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 н^, эВ
1- р=104 Ом-см п-тип, 2- р=4-104 Ом-см п-тип,
3- р=2-105 Ом-см ^-тип, 4- р=4-104 Ом-см ^-тип, 5- р=2-104 Ом-см ^-тип, 6- р=8-103 Ом-см ^-тип.
Рисунок 1- Спектральная зависимость фотопроводимости в 8КБ,Мд> от положения уровня Ферми.
зарядового состояния таких кластеров. Зависимость начала фотоответа от положения уровня Ферми в образцах кремния с многозарядными центрами представлена на рисунке1; также здесь представлена спектральная область чувствительности в зависимости от положения уровни Ферми и относительной чувствительности при наличии фото ответа с hv=0,8 эВ. Эти данные позволяют нам определить функциональные возможности образцов с центрами с различной кратностью заряда для создания фотоприемников, а также оценить роль зарядовых состояний центров.
В образцах n-типа фото ответ начинается при hv=0,5 эВ, В таких образцах независимо от удельного сопротивления примесная ФП в исследуемой области спектра существенно меньше, чем в образцах ^-типа и она очень слабо зависит от энергии фотонов в области hv=0,16^0,8 эВ. Эти результаты еще раз показывают, что формирование нанокластеров многозарядных центров позволяет существенно увеличить спектральную область и фото чувствительности кремния в диапазоне hv=0,16^0,8 эВ.
Таким образом, формирование многозарядных нанокластеров существенно изменяет структуру энергетических состояний атома марганца в кремнии. Вследствие этого вместо двух донорных энергетических уровней Е=Ес-0,27, Е2=Ес-0,5 эВ, которые обычно образуются, появляются более глубокие спектры донорных энергетических уровней атомов марганца в интервале Е=Е^+(0,16^0,4) эВ. Поэтому, в зависимости от концентрации и зарядового состояния кластеров, можно изменить начало фото ответа hv=0,16^0,5 эВ.
Использованные источники:
1. Bakhadyrkhanov M.K., Isamov S.B., and Zikrillaev N.F. Current-Voltage Behavior of Silicon Containing Nanoclusters of Manganese Atoms // Inorganic Materials, 2014, Vol. 50, No. 4, pp. 325-329.
2. Илиев Х., Усманов Ж. Разработка перспективных солнечных элементов на основе полупроводниковых материалов. Эффективность применения инновационных технологий и техники в сельском и водном хозяйстве. 25 -26 сентября 2020 года. 434 ст. ISBN 978-9943-6708-9-1.
3. Усмонов Ж.И. Комплексная автоматизация водоканалов - путь к ресурсосбережению. ISSN 2311-2158. The Way of Science.2019.№ 5 (63).Vol.II.
4. Усманов Ж.И. Повышения эффективности кремниевых солнечных элементов на основе формирования кластеров атомов никеля. юность и знания - гарантия успеха -2018. 5-й Международной молодежной научной конференции (20 - 21 сентября 2018 года) ISBN 978-5-9907371-2-9.
5. Усманов Ж.И. Разработка фотоэлементов на основе кремния с нанокластерами атомов марганца. современные материалы, техника и технологии. ISSN 2411-9792. №5 (13) 2017 год.
6. Бахадирханов М.К., Исамов С.Б, Усмонов Ж.И. Аномальные фотоэлектрические явления в кремнии с многозарядными нанокластерами.
Оптическим и фотоэлектрическим явлени- ям в полупроводниковых микро- и нано- структурах. 2020 год.
7. Ж.И.Усманов. Новые пути повышения эффективности солнечных элементов на основе кремния. Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении. 239-242 ст. 2017 г
8. Ж.И.Усмонов Изучение влияния многократно заряженных центров на время жизни носителей заряда в кремнии с многозарядными центрами. issn 2311-2158. The Way of Science. 2020. № 2 (72).
