CC BY
35
УДК 621.382
СПЕКТР ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В КРЕМНИИ, ЛЕГИРОВАННОМ ЭРБИЕМ И ПРИМЕСЯМИ-СОАКТИВАТОРАМИ
Е. А. Боброва, Г. Р. Галкин, В. А. Дравин
Глубокие уровни (ГУ) в С^-б'г п- и р-типа, обусловленные имплантацией эрбия и примесей-соактиваторов люминесценции ионов Е; 3+(./Р, О и Ы) исследованы методом РСГУ. Наблюдался характерный для имплантации эрбия спектр глубоких уровней (ГУ) Имплантации Ег с соак-тиваторами не создает дополнительных уровней, но не сколько увеличивает концентрацию центров с ГУ. Роль соактиваторов не связана с уменьшением эффективности безызлучательной рекомбинации.
Интерес к примеси эрбия в 5" г связан с излучением на длине волны 1,54 мкм, возникающим при внутрицентровом переходе в незаполненной оболочке 4/ иона Ег3+. Высокая температурная стабильность и малая ширина линии излучения, слабое поглощение в линиях оптоволоконной связи делают перспективным применение такого материала в приборах оптоэлектроники. Благодаря развитости технологии кремния он является наиболее пригодным для использования в качестве матрицы, включающей примесь эрбия.
Известно, что кислород [1] и ряд других элементов (С, УУ, Е) [2] существенно увеличивают выход люминесценции примеси Ег в 5г. Наиболее подробно изучен в качестве соактивагора эрбия в кремнии кислород [3 - 5 , однако, причина влияния кислорода и других примесей-соактивагоров однозначно не установлена. Эффективность люмине -ценции эрбия в кремнии определяется различными фак горами 5 . Существенную роль может играть изменение рекомбинационных характеристик кремния, так как обычно возбуждение атомов эрбия в Si осуществляется путем создания электронно-дырочных пар, часть энергии которых затем передается эрбию за счет различных рекомбинационных процессов. В работе [4] сделано заключение, что роль кислорода в кремнии,
содержащем эрбий, состоит в компенсации центров с глубокими уровнями (ГУ) и уменьшении за счет этого безызлучательной рекомбинации. Результаты, полученные методом емкостной релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) [5], указывак i на то, но кислород действует как пассиватор индуцированных ионной имплантацией цен-грив с глубокими уровнями, то есть уменьшает концентрацию таких центров. Данные
0 пассивирующем влиянии кислорода были получены при исследовани зонного кремния (FZ-Si) в работе [5], где проводилась совместная имппантация Ег и О. Однако более подходящим для практического применения, в частности, для создания и. мучающих ди одов, является материал, выращенный по Чохральскому (CZ-Si), так как имплантация эрбия вместе с соак * иваторами в такой материал дает более высокий выход излучения по с равнению с FZ-Si [2].
Цслыо настоящей работы было получить данные о возможном эффекте на<. i нации соак ! иваторами глубоких центров в CZ-Si, чтобы сделать более определенные выводы об их роли в увеличении эффективности изучения Ег.
В настоящей работе исследовались методом РСГУ центры с ГУ, образующпес в Si при имплантации только эрбия и при совместной имплантации эрбия и прим й-< оактива горов О и F, а также Li который известен как соакгиватор эрбия в других материалах, и в Si в этом отношении не изучен. В CZ-Si п-типа (п = 2 • 10'' слГ ) и Si ш-типа (р 6 • 1014 еле-3), эрбий вводился имплантацией с распределенной дозой (концентрация ионов в Si. 1 ■ 101' см~3, максимальная энергия имплантации 700 к:>Н. толщина слоя с Ег3+ 0,25 мкм). В ту же область, где находился эрбий, была имп.1 н-тирована одна из указанных выше примесей с распределенной дозой и концентрацией
1 ■ 1018 см'3. Лозы имплантации выбраны такими, чтобы концентрации введенных примесей были возможно более близки к используемым при исследовании люмиш ценции и в то же время, ч^обы при использовании методики РС У наблюдаемые измен ния емкостного сигнала АС были малы по сравнению с емкостью структуры. Отме им что концентрация кислорода в в результате имплантации увеличивалась примерно в два раза по сравнению с исходной. После имплантации проведен отжиг в атмосфере аргона в типичном для наблюдения люминесценции режиме (900°С, 30л<к?г), змий i изготовлены структуры с барьерами Шоттки.
Для определения области зондирования при записи спектров РСГУ были проведены измерения вольт-фарадных {C-V) характеристик на структурах с барьерами Шоттки Электрическая активность центров, обусловленных примесью эрбия в Si, завис т oí способа легирования эрбием [4, 6, 7]. При введении примеси Ег ионной имплантацией
N10 '", см ' 1.2
ДС, пФ
0.2
Рис. 1. Зависимость концентрации носителей заряда N от ширины области пространственного заряда г! в структурах с барьером Шоттки на основе Si п-типа: до имплантации (]); после имплантации ионов Ег(2), £rfiг'(3).
Рис. 2. Спектры РСГУ п-типа после имплантации ионов: Ег(1),Ег + Е(2). Кг + 0(2). Ег+ Га (3).
наблюдали повышение концентрации носителей заряда в 5 п-типа и снижение е< в Яч р-типа 7]. В настоящей работе, как и в [71, после имплантации эрбия в Яг гг.-типа уве Личивалась концентрация мелких доноров. На рис. 1 представлены полученные после обработки С-У характеристик профили распределения носителей заряда по глубине Из I видно, что основной вклад в изменение проводимости образца вносит при-
месь эрбия. Примеси соактиваторы Е и О влияют одинаково на уровень легирования, несколько увеличивая его, Ьг не вызывает изменений. Отметим, что увеличение конце' -грации носителей, наблюдаемое на расстоянии, значительно большем ширины об. 1а ти имплантации, по-видимому, связано с растеканием носителей за пределы области им плантации за счет высокого градиента концентрации.
СЛ^харак геристики структур на основе Яг р-типа изменялись несущественно по с.гф имплантации ионов как одного Ег, так и Ег с соактивагорами. Снижения уровня легирования в р-ЩЦпа по С-У характеристикам, в отличие от работы Г], мы не наблюдали. По-видимому, вблизи поверхности Яг из-за более высокой в настоящей работе
дозы имплантации имела место перекомпенсация Si р-типа и образование р-п-перехода. В результате этого область пространственного заряда сместилась от поверхности, а ширина ее и ^следовательно, емкость структуры остались практически неизмененными. Особенности спектров РГ "'У структур на основе Бг р-типа подтверждают существо! ние области с проводимостью п-типа, образовавшейся после имплантаиии.
Па рис 2 и 3 приведены спектры РС^У, снятые для образцов, имплантированных различными ионами. Спектры, на которых регистрировались высокотемпературные пики (рис. 2), соответствующие наиболее глубоким уровням, получены для временных окон 30 300 м,с. До имплантации в спектре РС. У пиков не наблюдалось, то ест г., концентрация глубоких центров была менее 1 • 101 см~3. После имплантации только эрбия в спектре РСГУ появлялся высокотемпературный пик, соответствующий ГУ с энергией активации Ес — 0,69 эВ и сечением захвата 8 ■ Ю-15 ел«2. Имплантация эрбия с примесями-соактиваторами приводила к увеличению амплитуды этого пика на 20 50 с для различных примесей.
дС, пф
0.2
ДС, пф
0.04
-0.004 "
-0.08
100
200
300
400 Т, К
Рис. 3 Спектры РСГУ Si п-типа после имплантации ионов: Ег (1), Ег + 0(2), Ег + 1л {3), Er+F(4).
Рис. 4. Спектры РСГУ Si р-типа: до имплантации (1); после имплантации ионов Ег(2), Er + F(3).
Низкотемпературные пики, соответствующие наиболее мелким уровням, регистрировались при записи спектров с быстрыми временными окнами (0,3 - 3 мс) Наблюда.
3.7
ся пик ГУ с энергией активации 0,19 эВ и сечением захвата 1 ■ Ю-13 см2 (рис. 3). Еще один болвё низкотемпературный и более интенсивный пик не был записан полностью на данной установке. И1^ спектров видно, что отсутствуют уровни, специфические для соактивагоров. Наблюдаемые уровни скорее всего соответствуют комплексам эрбия с радиационными дефектами, так как обычные радиационные дефекты в 5 отжигаются при температуре значительно более низкой, чем 900°С, использованной в настоящей работе. Имплантация соактиваторов, по-видимому, приводит главным образом к обще-
увеличению количества радиационных дефектов и, соответственно, к увеличению количества комплексов эрбия с дефектами. Различие в дефектообразовании при имплантации исследуемых соактиваторов несущественно. Интегральное число центров в случае имплантации одного эрбия составляло 2 • Ю10 см~ для ГУ с энергией 0,69 эВ и 0, 6 ■ Ю10 см ~2 для Тг с энергией 0,19 )В. Режим записи обеспечивал зондирование всей области имплантации.
В спектрах Si р-типа в случае, когда »аполнение происходило при прямом смещении
на барьере Шоттки, наблюдался пик, соответствующий захвату неосновных носителей
Наряда. Это свидетельствует о перекомпенсации дырочной проводимости вблизи по-
верхности от, образовании р-п-перехода и инжекции неосновных носителей заряда. В
связи с этим исследование основной области с примесями Ег и соактиваторов было
затруднено. Изменения в спектре РСГУ при зондировании области вблизи границы
имплантированного и неимплантированного слоев показаны на рис. 4. После импланта-
ции Ег появлялись два новых пика в спектре с энергиями активации ГУ Еу + 0, 54 эВ и
12 + 0, 76щВ и сечениями захвата соответственно 8 ■ Ю-15 и 3 ■ Ю-13 см2. Имплантация
соактиваторов спектр не изменяла, лишь несколько увеличивая концентрацию центров.
Сопоставим результаты настоящей работы и данные авторов других известных нам
работ, полученные для Бг п-типа и одинаковых температуры (900°С) и времени отжига (30 мин). В работе [7] при имплантации использовались высокие энергии ионов (до 5 МэВ), чтобы создать достаточно протяженные слои с эрбием, учитывая его большую массу. Авторы наблюдали одни и те же уровни (всего семь в интервале 0,09 0,48 эВ) в 5" г с разным содержанием кислорода. Лишь один дополнительный уровень (йр— 0,18 эВ) возникал в по сравнению с CZ-Si. В более поздней работе [5]
использованы при имплантации меньшие энергии ионов (640 юВ), но концентрация ионов, соответствующая интегральной дозе, была на 2 порядка выше (5 • 1016 см ' , измерения РСГУ проводились на бескислородном Яг. Спектр уровней существенно отличался от полученного в работе [7], возможно, из-за другого режима имплантации.
Авторы [5] наблюдали новые уровни с энергиями 0,59 и 0,78 эВ как при имплантации только эрбия, так и при совместной имплантации эрбия и кислорода. Концентрация центров в последнем случае уменьшалась примерно в два раза. На этом основании в
"1 сделано заключение о пассивирующем влиянии кислорода и об уменьшении безыз лучательной рекомбинации. В настоящей работе и у авторов [5] условия имплантации близки. Отсутствие в наших спектрах уровней с энергиями 0,58 и 0,78 эВ можно объяснить высоким содержанием кислорода в исходном кремнии, учитывая, что по данным работы [5] имеет место пассивация их кислородом. Энергия, по-видимому, наиболе( мелкого уровня не была определена в нашей работе. Возможно, она близка к 0,15 эВ, заре1 истрированной в [5]. Уровень с энергией 0,69 эВ при имплантации Ег в Si ране< не наблюдался.
Таким образом, в кремнии, выращенном по Чохральскому, после имплантации эрбия возникает характерный для материала с повышенным содержанием кислорода спектр глубоких уровней, обусловленных, по-видимому, комплексами эрбия с дефектами и, вс можно, с кислородом. Центры с ГУ образуются как в нижней, так и в верхней половине запрещенной зоны Si. Отсутствуют ГУ, специфические для соактиваторов F, О и 1л. Эффект пассивации ГУ при имплантации соактиваторов с эрбием не наблюдался. Основная роль соактиваторов в CZ-Si заключается не в уменьшении эффективности безызлучательной рекомбинации, а скорее, в стимулировании передачи энергии возб) ждения атому эрбия в кремнии, либо увеличении концентрации оптически активного Ег.
Работа выполнена при финансовой поддержке МНТП России "Физика твердотельных наноструктур", проект N 1—008.
ЛИТЕРАТУРА
[1] F a v е п n е с P. N., L' Н а г i d о п Н., Moutonnet D., et al. Jpn. J. Appl. Phys., 29, L524 (1990).
[2] M i с h e 1 J., В e n t о n J. L., F e г г a n t e R. F., et al. J. Appl. Phys., 70, 2672 (1991).
[3] A d 1 e r D. L., J а с о b s о n D. С., E a g 1 e s h a m D. J., et al. Appl. Phys. Lett., 61, 2181 (1992)
[4] E f e о g 1 u H., E v a n s J. H., J а с k m a n Т. E., et al. Semicond. Sci. Techno , 8, 236 (1993).
1 J a n t s с h W., Przybylinska Н., Suprun-Belevich Yu., et al. ICDS18, Materials Science Forum 196, Part 2, 609 (1995).
[6] E m t s e v V. V., A 1 e x a n d г о v О. V., P о 1 о s к i n D S., S h e к E. I., and Sobolev N. A. ICDS18, Materials Science Forum, 196, Part 2, 615 (1995)
[7] В e n t о n J. L., M i с h e 1 J., Kimerling L. C., et al. J. Appl. Phys., 70, 2667 (1991).
Поступила в редакцию 13 мая 1996 г.
