CC BY
18I INTERNATIONAL JOURNAL OF THEORETICAL AND PRACTICAL RESEARCH
International journal of theoretical and practical research
Scientific Journal
Year: 2022 Issue: 1 Published: http://alferganus.uz
Volume: 2 31.01.2022
Citation:
Sultanov, N.A. (2022). Photoluminescence (PL) spectra of hardened and by the transition silicon. SJ
International journal of theoretical and practical research, 2 (1), 193-203.
Султанов, Н.А. (2022). Спектры
фотолюминесценция (фл) закаленного и легированного кремния. Nazariy va amaliy tadqiqotlar xalqaro jurnali, 2 (1), 193-203.
Doi: https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.6091721
DÖI 10,5281/zenodo .6091721
ISSN 2181-2357 Т. 2. №1. 2022
QR-Article
пцвде&ин .ст gua/azaiieradattB 17.21
Султанов Номанжан Акрамович
доктор физика-матиматических наук, профессор Ферганский политехнический
институт
UDC 621.315.592
СПЕКТРЫ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (ФЛ) ЗАКАЛЕННОГО И
ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ
Анотация: В данной статье исследован люминесценция и нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней закаленного и легированного кремния. В спектрах люминесценции в области энергий 0,75-1,13 эВ обнаружены электронного - колебательные полосы излучения, появление которых зависит от скорости охлаждения кристаллов.
Ключевые слова: Спектр люминесценции, электронно - колебательные полосы излучения, скорость охлаждения, закаленный кристалл кремния.
Su^nov Nоmаnzhаn Akramovich
Doctor of Physics and Mathematics, Professor Fergana Polytechnic Institute
PHOTOLUMINESCENCE (PL) SPECTRA OF HARDENED AND BY THE
TRANSITION SILICON
Abstract: The article tellis about investigations of the luminescence and transient capacitance spectroscopy of deep levels of hardened silicon. In the luminescence spectra in the energy range of 0.75-1.13 eV, electron - vibrational emission bands are detected, that appearance depends on the cooling rate of the crystals.
Keywords: Luminescence spectrum, electron - vibrational radiation bands, cooling rate, hardened silicon crystal.
© ®
193
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований оптических и электрических свойств кристаллов Si, содержащих дефекты с глубокими уровнями (ГУ).
Исследовались кристаллы кремния п - и р- типа проводимости с удельным сопротивлением 2-500 Ом.см.
Термо отжиг проводились при температурах 900-1250°С в течение 4-100 час в откачанных кварцевых ампулах. Перед диффузией поверхность исходных образцов подвергалась тщательной очистке. Перед измерениями с поверхности кристаллов удалялся слой толщиной 50 - 100 мкм.
Исходные образцы имели форму параллелипипеда размером 1х1х6 мм3. Длинные стороны образцов совпали с основными кристаллографическими направлениями решетки [100], [110], [111].
Измерение спектров фотолюминесценции кристаллов кремния проводилось при 4,2 и 77 К (образцы погружались непосредственно в жидкий гелий или азот).
Генерация неравновесных носителей заряда в кристаллах осуществлялось светом ксеноновой лампы сверхвысокого давления ДКСШ - 1000, модулированном с частотой 16 Гц. Для фильтрации возбуждающего светового потока использовались фильтры из оптического стекла типа СЗС - 22 и BG-17, а также водяной фильтр толщиной 100 мм. Спектры анализировались инфракрасным монохроматором ИКМ-1 с дифракционной решеткой 600 штр/мм и дисперсией 50 А/мм . После выходной щели монохроматора помещался кремниевый фильтр толщиной 4 мм. В качестве приемника излучения использовалось охлаждаемое до 80 К фотосопротивление на основе германия, компенсированного медью.
В [1] показано, что высокотемпературная (800-1300°С) термообработка кремния в течении 2-60 мин. с последующим быстрым охлаждением (закалка) приводит к образование в кристаллах дефектов структуры с ГУ.
После такой обработки в спектрах ФЛ происходило уменьшение интенсивности собственного рекомбинационного излучения и излучения многочастотных экситон - примесных комплексов и появление в спектральной области <1,1 эВ большого число полос примесного излучения, связанных с введенными закалкой дефектами. На рис.1 приведены спектры ФЛ некоторых закаленных кристаллов Si, снятые при 15 К.
Характерной особенностью большинства из полос излучения является наличие при низких температурах квазилинейчатой структуры. Полосы состоят из узких безфононных линей (с полушириной < кТ) и низкоэнергетических эквидистантных колебательных повторений [1]. Появление этих повторений обусловлено электронными переходами на центрах с резонансным возбуждением одного , двух и т.д. локальных фононов. Полоса с бесфононной линией 1,015 эВ наблюдалась в спектрах практически всех исследованных материалов, в то время как остальные полосы обнаруживались в спектрах некоторых кристаллов при определенных условиях обработки. Их появление зависело от типа материала, температуры прогрева и скорости закалки.
194
Рис.1. Спектры ФЛ некоторых закаленных кристаллов Si, снятые при 15 К.
Наблюдаемую квазилинейчатую структуру спектров удалось объяснить в рамках модели рекомбинации экситонов, локализованных на глубоких изоэлектронных (нейтральных) центров. На основе сравнения обнаруженных полос излучения с энергетическими уровнями термических дефектов в закалённых кристаллах кремния и сопоставления с данными по кинетике распада твёрдых растворов в кремнии авторами [1] было высказано предположение об участии примесных атомов переходных металлов в образовании излучающих центров.
Обнаружение центров люминесценции, дающих квазилинейчатые полосы излучения, стимулировало дальнейшие исследования оптических свойств кристаллов кремния, содержащих глубокие примеси. Участие атомов переходных элементов в формировании излучающих центров, при закалке кремния полностью подтвердилось при проведенном впоследствии исследованных ФЛ специально легированного Си [2] и Бе [3].
195
I INTERNATIONAL JOURNAL OF THEORETICAL AND PRACTICAL RESEARCH
ISSN 2181-2357 T. 2. №1. 2022
1ЭЛР 2021:5.5
Медь вводилась в кристаллы как диффузионным путем из набелённого на поверхность образца слоя металла, так и методом ионной имплантации с последующей разгонкой и закалкой.
0,83 0,93 <.05 к^эб-
Рис.2. Спектр ФЛ 81(Си).Спектральное разрешение 1 мэВ
Во всех случаях в спектре ФЛ Si(Cu) наблюдалось интенсивная полоса с бесфононной линией 1,015 эВ (см. рис.2), приписанная паром атома меди (Си Си) , которые образуют изоэлектронные примесные центры, имеющие тригональную симметрию с осью вдоль направления [111]. Участие атома меди в образовании этих излучающих центров подтверждено экспериментами по изотопическому замещению 63Си на 65 Си [2], а изоэлектронная природа дефекта.
На рис. 3 показано тонкая структура полосы 1,015 эВ. Как уже отмечалось, отличи-тельной особенностью таких спектров является участие в процессах излучательной рекомбинации локальных (резонансных) фононов с энергией, в
данном случае
7; 16.4;
25,1 эВ.
Рис.3. Тонкая структура полосы с линией 1,015 эВ , 4,2 К.
Участие локального фонона с определенной энергией может служить указанием на присутствие атомов определенной примеси в составе данного излучающего центра.
196
Эффективность люминесценции на центрах, обусловливающих электронно-колебательную полосу с бесфононной линией 1, 015 эВ, является высокой. Это объясняется тем, что в виду нейтральности дефекта отсутствует конкурирующий
Рис.4 Спектр ФЛ 81 облученного / -квантами 60Со потокам 1-1019 см-2 и
отожженного при 6000С 20 мин.
излучательному оже - процесс безизлучательной рекомбинации: один носитель захватывается на центр короткодействующим потенциалом дефекта, второй -кулоновским полем первого носителя заряда, а третий носитель (оже-электрон), которому можно бы передать энергию - отсутствуе. В связи с этим полоса 1,015 эВ может наблюдаться в спектрах люминесценции даже при небольших концентрациях излучающих центров. Действительно, экспериментальные результаты показывает, что эта полоса часто наблюдается в спектрах ФЛ Si, легированного другими переходными металлами, например, Ag, Fe, О". По -видимому, в этих случаях была недостаточной очистка поверхности образцов. Благодаря высокой скорости диффузии атомы меди могли легко проникнуть в в процессе высокотемпературной обработки, либо при этом происходила активация примесных атомов меди, уже находящихся в исходных кристаллах.
Следует отметить, что формирование центров люминесценции 1,015 эВ в Si предварительно облученном высокоэнергетическими частицами (электронами, у -квантами, нейтронами), может происходить при Тотж « 500-7000С, т.е при
температурах, значительно меньших тех, при которых обычно проводится диффузия примесей в кремний. В качестве примера, на рис.4 приведен спектр ФЛ предварительно облученного у -квантами 60Со, снятый при 4,2 К. Заметим, что наряду с полосой 1,015 эВ в спектре присутствует новая электронно-колебательная полоса с бесфононной линией 1,042 эВ, также, по-видимому, связанная с дефектами, содержащими переходные металлы. Предполагается, что при отжиге основных центров люминесценции радиационного происхождения, который как раз и происходит при Тотж« 500 0С, в кристалле создаются условия,
благоприятные для формирования оптически активных дефектов, содержащих атомы меди как остаточной технологической примеси в кремнии.
197
Обнаружение и идентификация в изоэлектронного центра люминесценции 1,015 эВ (Си Си-пары) несомненно дает новую информацию о состоянии атомов меди в решетке кристалла.
Селен в кремний является двойным донором и образует уровни Ес -0.51 эВ и
+ о
Ес -0.29 эВ (Бв и Бв, соответственно) [4,5]. При исследовании фото емкости (ФЕ) диодов из п - Si(Se) была обнаружена зависимость скорости эмиссии электронов с глубоких уровней (ГУ) селена не только от интенсивности и спектрального состава света, но и от температуры диода. Это зависимость была интерпретирована моделью фото термических переходов через возбужденное состояние иона Se [5].
Рекомбинационное излучение, возникающие при оптическом возбуждении кристалла, то есть фотолюминесценции (ФЛ), позволяют определить микроскопическую структуру центра. Различают "краевую" люминесценцию, являющуюся результатом межзонных оптических переходов в кристалле и примесную люминесценцию, излучательными переходами через локальные уровни дефектов или примесей.
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований DLTS и ФЛ кремния, легированного селеном. Легирование кремния селеном проводилось методом диффузии в откаченных кварцевых ампулах при температурах 100 - 12000 С в течение 100 часов, а также методом ионной имплантации. Для изготовления фоторезисторов быль использован исходный р -Si с удельным сопротивлением р = 2 - 200 Ом. см. После диффузии селена тип проводимости таких образцов изменялся, а р при 300 К было в пределах от 10 до 1050м см в зависимости от режима легирования. Образцы для измерения параметров глубоких уровней с помощью DLTS были изготовлены из п - Si с относительно небольшой концентрацией электрически активного селена.
Ионная имплантация осуществлялась при комнатной температуре на установке ионнолучевого легирования "Иолла", энергия ионов составляла величину 80-150 эВ, доза ~ 1.1015 см2. Плотность ионного тока не превышала 5 мкА/см2. После внедрения ионов проводились либо изохронный (20 мин) отжиг кристаллов в области температур до 7000С, либо диффузионная разгонка имплантированной примеси при 1100-1250° С в течение 2 час. На рис.1 приведены зависимости DLTS в диодах из п - Si(Se) до и после облучения при Т ~ 300 К у - квантами изотопа 60Со. Из рисунка видно, что до облучения селен образует три ГУ (рис.5, кривая 1).
198
Рис.5 Зависимости DLTS в диодах из п - Si(Se) до (кривая 1) и после (кривая 2) облучения при у - квантами изотопа 60Со.
Параметры их, определенные из прямых Аррениуса ^0Т2 =f (1/Т), где 0 -постоянная времени пере-зарядки ГУ, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Параметры глубоких уровней, измеренные в данной работе
Уровень Энергия ионизации, эВ Сечение захвата электрона, см2 Примечание
A 0,19 2.10-15
B 0,29 1,5.10-16 Se
C 0,51 6.10-16 Se
R 0,17 3.10-14 A-центр
E 0,44 4.10-15 Е-центр
Концентрации уровней В и С, вычисленные с учетом области неполной ионизации ГУ, были практически одинаковыми во всех исследованных образцах. Это подтверждает предположение, что указанные ГУ связаны с 2-х зарядным центром. Концентрация уровня А не коррелировала с концентрациями уровней В и С. Приведенные в таблице параметры ГУ хорошо согласуются с литературными данными [4,5].
Исследования влияния одноосной деформации на зависимости DLTS показали, что давление Р оказывает слабое воздействие на уровни селена и коэффициент пропорциальности между Р и измерением энергии ионизации порядка 7 - 15
199
мэВ/ГПа [6]. Облучение у - квантами Si(Se) приводит к некоторому уменьшению концентрации уровней селена (рис.1, кривая 2).
При дозе 5.1018 квант/см2 начальная концентрация всех ГУ падает примерно вдвое. При облучении происходит образование известных и радиационных дефектов (РД); А - центров и Е - центров (их параметры приведены в таблице 1), а также уровня Q, параметры которого установить с достаточной для идентификации точности не удалось. Концентрации других РД еще меньше, и связанная с ними релаксация не заметна на фоне релаксации заряда на уровнях селена. Концентрации РД линейно растут с дозой облучения в Si(Se) и в контрольных диодах без селена, скорость образования А-центров в диодах из Si(Se) в 5-6 раз выше, чем в контрольных диодах. Контрольные диоды были изготовлены из того же исходного кремния и прошли такую же термообработки, как и при легировании с е-леном. Таким образом, присутствие селена способствует образованию А - центров.
Измерение спектров ФЛ кристаллов кремния проводилось при 4,2 и 77 К (образец погружались вжидкий гелий или азот).
Полученных результатов ФЛ кремни, легированного селеном видно, что в спектрах присутствуют как квазилинейчатые полосы излучения с головными бесфононными линиями (0,975; 0,956; 0,785; 0,772 эВ, см.рис 5,6,7), так и так электронно-колебательная полоса 0,822 эВ, где она была обнаружена в спектрах ФЛ Si, диффузионно-легированного ванадием. Кроме того, полоса 0,822 эВ наблюдалась нами также в спектрах ФЛ Si, легированного серой.
В настоящее время говорить о корреляции этих полос какой-либо конкретной примесью сложно. Нужны дальнейшие экспериментальные исследования.
Тем не менее, появление в спектрах ФЛ Si(Se) полос излучения с квазилинейчатой структурой , характерной для полос излучения кремния, легированного переходными элементами не исключает участия примесей переходных металлов образовании центров, ответственных за полосы с (0,975; 0,956; 0,785; 0,772 эВ)эВ.
200
Рис.6. Спектр ФЛ Si(Se); 4,2 К. Диффузия из паровой фазы при 12000 С, 100 час ., быстрое охлаждение
Рис.7. Спектр ФЛ Si(Se); 4,2 К. Диффузия из паровой фазы при 12000 С, 100 час ., охлаждение на воздухе.
201
Рис.8. Спектр ФЛ Si(Se); 30 К. Легирование методом ионной имплантации Se+ с энергией 150 кэВ дозой 11015 см-2 , затем разгонка при 12000 С, в течение 1 часа .
Таким образом, впервые было проведено исследование ФЛ Si, легированного селеном и обнаружены в спектрах ФЛ Si(Se) квазилинейчатые полосы излучения, так и электронно-колебательная полоса.
Полосы обусловлены аннигиляцией экситонов локализованных на глубоких примесных центрах. Кроме того, результаты данной работы указывают на перспективность совместного применения методов ФЛ и DLTS для изучения электронной структуре примесных центров в кремнии, легированном переходными элементами.
Список использованной литературы:
1. Копитанова, Л.М., Лебедов, А.А., Султанов Н.А. и др. Фотолюминесценция и емкостная спектроскопия кремния, легированного переходными элементами. -Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР, 1987,-31 с. №1186.
2.Weber, J., Bauch, H., Sauer, R., Phys., Rev.B, 1982, v.25, N 12. p.7688-7699.
3. Weber, J.,Wagner, P. J. Phys. Soc. Japan, 1980.v. 49., Suppl. A, p. 263-266/
4. Султанов, Н.А. Фотоэлектические свойства кремния с примесью селена.ФТП 1974.т.8.ВЫП.9.с.1777-1780.
5. Астрова Е.В., Лебедев А.А., Султанов Н.А. Влияние фототермических переходов на фотопроводимость Si(Se). Препринт ФТИ АН СССР Л. 1988. №1232.10с.
202
6. Лебедев А.А., Султанов Н.А., Экке В. Влияние ориентированной деформации на глубокие урони примесей и радиационных дефектов в кремнии. Препринт ФТИ АН СССР Л.1988. №1233.14 с.
7. Султанов, Н. А., Рахимов, Э. Т., & Мирзажонов, З. (2019). Спектры фотолюминесценция (фл) закаленного и легированного кремния. Точная наука, (44), 22-25.
8. Sultanov, N. A., Rakhimov, E. T., Mirzajonov, Z., & Yusupov, F. T. (2021). Photoluminescence spectra of silicon doped with cadmium. Scientific-technical journal, 4(3), 22-26.
9. Султанов, Н. А., Рахимов, Э. Т., Мирзажонов, З., & Мирзаев, В. Т. (2019). Влияние ориентационной деформации на глубокие уровни примесей и радиационных дефектов в кремнии. Евразийский союз ученых (ЕСУ), 46..
10. Султанов, Н. А., Рахимов, Э. Т., Мирзаев, В. Т., & Номонжанов, С. Н. (2018). Влияние фототермических переходов на фотопроводимость кремния, легированном селеном. in Advanced science (pp. 18-22)..
11. ¡Султанов, Н. А., Мирзажонов, З., Юсупов, Ф. Т., & Ахмаджонов, М. Ф. (2021). Свойства уровней скандия в кремнии. Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences, 1(11), 379-385.
203
