CC BY
122
М.К. Бахадырханов, У. Содиков, Н.Ф. Зикриллаев, Н. Норкулов
РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛООБРАЗОВАНИЯ S++Mn ' и Se++Mn" ' В РЕШЕТКЕ Si
Ташкентский государственный технический университет, ул. Университетская, 2, г. Ташкент, 700095, Республика Узбекистан
В работе приводится один из возможных путей создания наноразмерных структур на основе образования молекул (S++ Mn--) и (Se++Mn--) между примесными атомами S, Se, Mn в решетке кремния. Установлены зависимости концентрации молекул (S Mn--), (Se Mn--) от концентрации примесных атомов.
В настоящее время разрабатывается технология, позволяющая управлять концентрацией, структурой и составом наноразмерных структур на основе молекул.
Проблема создания управляемых наноразмерных структур в объеме полупроводниковых материалов представляет большой научный и практический интерес с точки зрения целенаправленного управления фундаментальными параметрами материалов и создания на их основе новых электронных приборов.
Образование молекул примесных атомов - эволюционное начало наноразмерных кристаллов и кластеров примесных атомов в решетке [1]. Установление оптимальных термодинамических условий образования молекул примесных атомов позволит управлять их распределением, концентрацией и наконец на основе такого молекулообразования - наноразмерными объектами в кристалле с различной структурой и размерами в решетке.
Для исследования молекулообразования примесных атомов в кремнии выбраны марганец, сера и селен. Выбор этих примесей диктовался тем, что, во-первых, в кремнии они по отдельности выступают как доноры и создают по нескольку донорных уровней [2, 3]. Поэтому донорно-акцепторные взаимодействия между этими примесными атомами отсутствуют. Во-вторых, технология легирования кремния этими примесными атомами достаточно хорошо отработана, и, в-третьих, кремний, легированный этими примесями, обладает уникальными свойствами [4, 6].
Легирование кремния примесными атомами Мп, S, Se, а также Mn-Se, Mn-S одновременно производилось из газовой фазы при одинаковом парциальном давлении этих примесей в интервале температур Т = 1050-1250 0С в течение 10-25 часов. Разработанная многоэтапная диффузионная технология позволяет не только полностью исключить эрозию поверхности кремния, которая всегда имеет место при диффузии этих примесей, но и однородно легировать образцы достаточно больших размеров (3х1х0,5см3).
При абсолютно одинаковых условиях в отдельных ампулах проводилась диффузия серы, марганца и селена, а также совместно марганца и серы, марганца и селена. Механическая и химическая обработки после диффузионного отжига, создание омического контакта, а также определение физических параметров во всех образцах проводились в абсолютно одинаковых условиях. При каждой температуре диффузии было использовано по пять образцов, чтобы обеспечить достоверность результатов исследования электрических параметров образцов кремния, легированного серой, марганцем, а также совместно марганца с серой (см. таблицу).
Установлено, что в кремнии, легированном по отдельности марганцем или серой, эти примеси действуют как доноры. Энергия ионизации энергетических уровней этих примесных атомов определена из фотопроводимости и эффекта Холла, что хорошо соответствует литературным данным. Однако, как видно из таблицы, в образцах, совместно легированных серой и марганцем Si<B,Mn,S>, при всех исследуемых температурах диффузии концентрация электроактивных атомов и серы, и марганца стала значительно меньше, чем в образцах Si<B,Mn> и Si<B,S>.
Интересный эффект наблюдается в образцах, легированных при Т =1100 0С. При этом независимо от длительности диффузии образцы Si<B,Mn,S> приобретают параметры, близкие к исходным (см. таблицу), то есть как будто в образцах отсутствуют примеси серы и марганца. Поэтому методом активационного анализа исследовалось содержание серы и марганца в образцах Si<B,Mn>, Si<B,S>, Si<B,S,Mn>, легированных этими примесями при Т = 1100°С. Как показали результаты иссле-
© Бахадырханов М.К., Содиков У., Зикриллаев Н.Ф., Норкулов Н., Электронная обработка материалов, 2007, № 5, С. 106-108.
106
дования, концентрация марганца и серы в образцах Si<B,S,Mn> почти в 1,5-2 раза больше, чем марганца в Si<В,Мn> и серы в Si<B,S>. Эта разница возрастает с увеличением длительности диффузии и давления паров диффузанта.
Результаты исследования электрических параметров образцов
Параметры образцов до диффузии Темпера- тура диффу- зии Параметры образцов после диффузии Концентрация электроактивных атомов, см-3
Удельное сопротив- ление, Омсм Тип проводимо-сти Т, 0С Образцы Удельное сопротивление, Омсм Тип проводимо -сти сера марга- нец
10 Р 1250 Si<B,S> 0,4-0,5 n 2,4^1016
10 Р 1250 Si<B,Mn> (3-4)-103 n 2,1 • 1015
10 Р 1250 Si<B,S, Mn> 18-20 n 2,2^1015
10 Р 1200 Si<B,S> 1,5-1,7 n 61015
10 Р 1200 Si<B,Mn> (1-2)103 n 2,1 • 1015
10 Р 1200 Si<B, Mn,S> 25-30 n 2^1015
10 Р 1150 Si<B,S> 6,5-7 n 3,11015
10 Р 1150 Si<B,Mn> (3-4)^102 n 2^1015
10 Р 1150 Si<B, Mn,S> (4-5) •Ю4 p 1,71015
10 Р 1100 Si<B,S> (5-5,5)102 n 2,03^1015
10 Р 1100 Si<B,Mn> (7-8)103 n 2^1015
10 Р 1100 Si<B, Mn,S> 10-11 p <1013 <1013
10 Р 1050 Si<B,S> (6-7) •Ю3 p 1,971015
10 Р 1050 Si<B,Mn> 105 i 2^1015
10 Р 1050 Si<B, Mn,S> 85-90 p 1,81015
Результаты исследования спектральной зависимости фотопроводимости оптического поглощения в Si<В,S,Мn> показали отсутствие какого-либо энергетического уровня серы и марганца в запрещенной зоне кремния, то есть все атомы серы и марганца в этих материалах находятся в электронейтральном состоянии. Такое поведение атомов серы и марганца можно объяснить образованием электронейтральных молекул (S++Mn~), [S(s2р4)-2е=S++(s2р2) и Мп(й582)+2е=Мп-- (в2р2)] между этими примесными атомами.
Такие молекулы замещают два соседних узла в решетке кремния. При этом не нарушается ковалентно-тетраэдрическая связь в решетке - атомы серы и марганца не могут образовывать какие-либо энергетические уровни в запрещенной зоне кремния. В результате такого молекулообразования в решетке кремния появляется новая элементарная ячейка типа (Si2S Mn”). Следует обратить внимание на тот факт, что концентрация электроактивных атомов серы в Si<B,S> и марганца в Si<B,Mn>, легированных при Т = 1250 0С, составляет Ns=2,4^1016 см-3 и NMn =2,В1015см-3 соответственно. Эти значения определены на основе экспериментальных данных (см. таблицу) с учетом степени ионизации энергетических уровней данных примесей в кремнии. Поэтому можно предположить, что концентрация молекул (S Mn--) определяется концентрацей электроактивных атомов марганца в кремнии при данной температуре, которая составляет около 10% электроактивных атомов серы в кремнии. Тогда нетрудно убедиться,
107
что в образцах Si<B, S,Mn> остается концентрация электроактивных атомов серы, не участвующих в молекулообразовании, не меньше чем Ns=2 •lO16 см-3. Однако, как видно из таблицы, она на порядок мень-
ше и составляет всего N~2,2 • 10 см . Это означает, что в молекулообразовании участвуют N0=2^ 1016 см-3 атомов серы (это и есть концентрация молекул). Естественно возникает вопрос, какая должна быть концентрация марганца. Можно предположить, что, во-первых - в молекулообразовании участвуют не только электроактивные, но и электронейтральные атомы марганца. Во-вторых - молекулообразование стимулирует увеличение растворимости марганца: чем больше атомов серы, тем больше атомов марганца. Подтверждением этого могут служить приведенные выше результаты исследования активационного анализа. На основе данных таблицы рассчитана концентрация молекул в зависимости от концентрации серы в кремнии (см. рисунок). Из этих данных следует очень важный вывод о том, что, управляя концентрацией серы в кремнии, можно управлять в широкой области концентрацией молекул, а также концентрацией и распределением наноструктур на их основе. При обычных условиях легирования управление концентрацией таких молекул ограничено из-за малой растворимости этих примесей в кремнии. Поэтому образование наноразмерных структур на основе данных молекул и их влияние на фундаментальные параметры кремния несущественны. Разработанный многоэтапный метод легирования кремния примесными атомами позволил существенно увеличить концентрацию введенных примесных атомов и соответственно концентрацию молекул и наноразмерных структур. Предварительные результаты исследования показали, что в образцах Si<B,S,Mn>, обогащенных молекулами (S++Mn "), наблюдаются аномально большая фоточувствительность в области hv= 0,45-0,7эВ, а также существенное смещение края фундаментального поглощения в сторону больших длин волн.
Исследование молекулообразования между примесными атомами Se и марганца в кремнии показало, что, действительно, в этом случае имеет место интенсивное молекулообразование S++Mn". Определены эффективные термодинамические условия молекулообразования между атомами селена и марганца в Si. Установлены эффективные термодинамические условия молекулообразования между этими примесными атомами и зависимость концентрации молекул от температуры легирования данными примесями.
В настоящее время разрабатывается технология, позволяющая управлять концентрацией, структурой и составом наноразмерных структур на основе молекул (S++ Mn""), (Se++Mn""). Ведутся исследования по изучению их влияния на фундаментальные параметры кремния, а также электрические
и фотоэлектрические свойства таких материалов, чтобы раскрыть функциональные возможности кремния с наноразмерными структурами на основе молекул примесных атомов.
концентрации атомов серы
ЛИТЕРАТУРА
1. Мольвидский М.Г., Чадышев В.В. // ФТП. 1998. 32. № 5. С. 513-552.
2. BakhadirkhanovM.K., Askarov Sh.I., andNorkulov N. //N. phys. Stat. Sol. 1994, 142., p.339.
3. Таскин А.А., Тишковский Е.Г.Н ФТП. 2002. 36. № 6. с.641.
4. Омельяновский М, Фистуль В.И. Примеси переходных металлов в полупроводниках. М.: Металлургия, 1983. 192 с.
5. БахадырхановМ.К., Зикриллаев Н.Ф., Аюпов К.С. // ЖТФ. 2006. 76. № 9. С. 128-129.
6. БахадырхановМ.К., Аюпов К.С., Саттаров А. //ФТП. 2005. 39. № 7. С. 823-825.
Summary
Поступила 06.03.07
In the work is adduced one of the possible ways of making of nano size structures on the basis of molecule formation of (S++ Mn--) and (Se++Mn“) between impurity atoms S, Se, Mn in the lattice of silicon. It is stated dependencies of molecules concentration of (S++ Mn--), (Se++Mn“) on concentration of impurity atoms.
108
