CC BY
49КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ BRIEF REPORTS
УДК 621.315.592.3:546.28'65 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-69-72
Влияние термического воздействия на электрофизические свойства кремния, легированного редкоземельными элементами
С. Зайнабидинов1, Д.Э. Назиров2
1 Андижанский университет Узбекистана имени Мирзо Бабура, г. Андижан, Узбекистан
2Национальный университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека, г. Ташкент, Узбекистан
anddu_rector@edu.uz
Эффективность примесей редкоземельных элементов в кремнии и проявление оптических свойств структур зависят от спектра оптически и электрически активных центров, содержащих редкоземельные элементы, их общей концентрации, а также от взаимодействия с неконтролируемыми примесями и с термическими дефектами в объеме материала. В работе проведено исследование влияния редкоземельных элементов на термическое дефектообразование в кремнии n-типа методами нейтронно-активационного анализа, ИК-спектроскопии, изотермической релаксации емкости. Для изучения глубоких уровней, расположенных в нижней половине запрещенной зоны n-Si, применена оптическая перезарядка. Исследованы электрофизические свойства монокристаллов n-Si, легированных при выращивании самарием, гадолинием и иттербием при термическом воздействии. Показано, что наличие этих элементов в кремнии при термообработке в интервале температур 900-1200 °С в течение 2 ч на воздухе и в откачанных ампулах с последующей закалкой или медленным охлаждением подавляет высокотемпературные дефекты.
Ключевые слова: полупроводник; кремний; n-Si; эффекты термических воздействий; электрофизические свойства; легирование кремния Sm, Gd и Yb при выращивании; термическая обработка кремния
Для цитирования: Зайнабидинов С., Назиров Д.Э. Влияние термического воздействия на электрофизические свойства кремния, легированного редкоземельными элементами // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. С. 69-72. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-69-72
The Effect of Thermal Treatments on the Electrophysical Properties of Silicon Doped by Rare-Earth Elements
S. Zaynabidinov1, D.E. Nazirov2
1Mirzo Babur University of State Andijan, Andijan, Uzbekistan 2Mirzo Ulugbek National University of Uzbekistan, Tashkent, Uzbekistan
anddu_rector@edu.uz
Abstract. The efficiency of admixtures of rare-earth elements in silicon, an exhibition of the structures optical properties depends on the spectrum of optically and electrically
© С. Зайнабидинов, Д.Э. Назиров, 2020
active centers, containing rare-earth elements, their total concentration as well as on the interaction with the non-controllable admixtures and with thermal defects in the bulk of the material. In present work the investigations have been performed by the methods of the neutron-activation analysis, IR-spectroscopy, isothermal relaxation of the content. For studying the deep levels, located in the lower half of the prohibited zone n-Si the optical re-charging, has been applied. The influence of thermal treatments on the electrophysical properties of n-type silicon, doped by samarium, gadolinium and ytterbium during growing, has been investigated. It has been shown that the presence of these elements in silicon during the heat treatment in the temperature range 900-1200 °C for 2 hours in the air and in the pumped out ampoules with subsequent quenching or slow cooling suppresses the high-temperature defects.
Keywords: semiconductor; silicon; n-type silicon; the influence of thermal effects; electrophysical properties; doped with Sm, Gd, and Yb during growth was studied; silicon during heat treatments
For citation: Zaynabidinov S., Nazirov D.E. The effect of thermal treatments on the electrophysical properties of silicon doped by rare-earth elements. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 1, pp. 69-72. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-69-72
Кремний, легированный редкоземельными элементами (РЗЭ), привлекает большое внимание исследователей как перспективный материал для кремниевой оптоэлектроники в качестве источников света. Как известно, эффективность примесей РЗЭ в кремнии, проявление оптических свойств структур зависят как от спектра оптически и электрически активных центров, содержащих РЗЭ, их общей концентрации, так и от их взаимодействия с неконтролируемыми примесями, а также с термическими дефектами в объеме материала [1-4].
Цель настоящей работы - исследование влияния самария (Sm), гадолиния (Gd) и иттербия (Yb) на термическое дефектообразование в Si. Исследования проводили методами нейтронно-активационного анализа, ИК-спектроскопии, изотермической релаксации емкости. Для изучения глубоких уровней (ГУ), расположенных в нижней половине запрещенной зоны n-Si, применена оптическая перезарядка. Исследовали образцы монокристаллов n-Si, легированные Sm, Gd и Yb при выращивании по методу Чохральского, с удельным сопротивлением 15 Омсм. Образцы вырезали из шайбы в виде параллелепипедов размером 12x6x2 мм. Контрольные образцы кремния с такими же удельными сопротивлениями, но без примесей РЗЭ выращены в тех же условиях. Концентрации примесей РЗЭ в Si, определенные по методу нейтронно-активационного анализа, составили ^ЗЭ = 5-1015-5• 1019 cм-3. С помощью ИК-микроскопии в образцах выявлено образование дислокаций.
При концентрациях исследуемых РЗЭ в Si более 1016 см3 начинается выпадение второй фазы [2]. Результаты электрических измерений показывают, что Sm, Gd и Yb в Si в исходном состоянии находятся в электрически неактивном состоянии. При термической обработке в интервале 9001200 °С в течение 2 ч на воздухе и в откачанных ампулах с последующей закалкой или при медленном охлаждении преципитация кислорода меньше в Si<РЗЭ>, чем в контрольных образцах. Результаты изотермической релаксации емкости показывают, что Sm, Gd и Yb в Si при термической обработке выступают в качестве геттера для неконтролируемых примесей и структурных дефектов.
Концентрации ГУ с энергиями Ес - 0,17 эВ, Ес - 0,2 эВ, Ес - 0,32 эВ, Ес - 0,41 эВ, Ev+0,4 эВ в образцах Si<РЗЭ> намного меньше, чем в контрольных образцах, прошедших соответствующие этапы термической обработки. Термическая обработка в интервале температур 1373-1473 К в течение 2 ч с последующей закалкой в масле или при медленном охлаждении приводит к компенсации во всех образцах Si<РЗЭ>. Вследствие этого методом изотермической релаксации емкости в образцах в интервале температур 77-300 К не обнаружено перезарядки каких-либо центров (Nd < 5-1011 см 3), т.е. измеряемая емкость барьеров Шоттки Сь, изготовленных на основе Si<РЗЭ> с концентрацией Np^ > 5 • 1016 см 3, не зависит от величины приложенного напряжения до температур ~ 80 К. Для образцов с концентрацией Np^ > 1017 см 3 этого не происходит до температуры 100 К, т.е. Cb ~ Ch, где Ch - геометрическая емкость образца. При этом степень компенсации в быстроохлажденных образцах была высокой.
Термическая обработка при 1173 К и более приводит к уменьшению концентрации ионизованных центров в образцах 81, легированных исследуемыми примесями РЗЭ, от 3-1014 до 2,6-1014 см3. Однако образования ГУ, связанных с РЗЭ, в запрещенной зоне не обнаружено, хотя их косвенное влияние распространялось на концентрацию большинства наблюдаемых ГУ. Следовательно, можно предположить, что 8т, Gd и УЬ образуют мелкие акцепторные уровни в нижней половине запрещенной зоны 81, что подтверждает их акцепторную природу. В контрольных образцах после термических обработок в интервале температур 1173-1473 К выявлены следующие ГУ с энергиями: Ес - (0,17-0,22) эВ, Ес - 0,4 эВ, Ес - 0,54 эВ, Еу + 0,2 эВ, Еv + 0,4 эВ, параметры которых совпадают с известными литературными данными [5]. Концентрация всех этих термических центров не превышала ~ 5-1013 см-3.
В случае термических обработок образцов «^<РЗЭ> в откачанных кварцевых ампулах, в отличие от отожженных на воздухе, обнаруживаются все ГУ, наблюдаемые в контрольных образцах При этом их концентрация обычно не превышает ~ (2-3)-1013 см 3, за исключением центра с ГУ Еу + 0,4 эВ, для которого сечение захвата электронов сп ~ 10-14 см2, в контрольных образцах его концентрация достигает (3-4)-1014 см-3, а в легированном РЗЭ кремнии составляет порядка 1-1014 см-3. Как известно, этот донорный ГУ связывают с примесью железа [5].
Таким образом, примеси 8т, Gd и УЬ подавляют образование как ГУ, связанных с быстро-диффундирующими неконтролируемыми примесями Аи, так и Бе, а также других термических центров с уровнями Ес - 0,17 эВ (рисунок а) и Ес - 0,4 эВ (рисунок б), концентрации которых зависят от температуры обработок и от наличия РЗЭ в 81 [3,7-9]. Присутствие 8т, Gd и УЬ в кремнии уменьшает концентрацию этих термических центров в 2-4 раза и подавляет высокотемпературные термические дефекты. Чем больше концентрация примесей РЗЭ в 81, тем больше степень компенсации образцов и степень подавления термических дефектов.
N. х10"13 см"3
J _I_I_I_I_I_I
900 1000 1100 Т,°С 900 1000 1100 Т, °С
а б
Зависимости концентрации термических центров с ГУ Ес - 0,17 эВ (а), Ес - 0,4 эВ (б) от температуры обработки: 1 - n-Si; 2 - n-Si<Gd>; 3 - n-Si<Sm>; 4 - n-Si<Yb>; МРЗЭ = 3-1018 см-3 The dependences of the concentration of thermal centers with a TD Ec - 0.17 eV (a), Ec- 0.4 eV (b) on the treatment temperature: 1 - и-Si; 2 - n-Si<Gd>; 3 - n-Si<Sm>; 4 - n-Si<Yb>; = 3-1018 ст-3
Результаты измерений времени жизни неосновных носителей заряда тННЗ в Si, легированном примесями Sm, Gd и Yb при выращивании, показывают, что наличие этих примесей приводит к повышению стойкости образцов при термических обработках, тем самым повышаются значения тННЗ относительно контрольных в 2-4 раза.
Подавление термических дефектов может быть обусловлено очищением объема Si от неконтролируемых быстродиффундирующих примесей, их геттерированием примесями Sm, Gd и Yb или образованием комплексов РЗЭ+дефект акцепторной природы, а также активным взаимодействием РЗЭ с кислородом в Si. В результате исследований ИК-поглощения в Si<РЗЭ> получено, что эф-
фективное взаимодействие РЗЭ с кислородом в Si начинается с концентраций ^РЗЭ > 5-1017 см3, что, возможно, указывает на наличие в объеме Si включений второй фазы РЗЭ, а также их силицидов, действующих как стоки для неконтролируемых и технологических примесей.
Литература
1. Назыров Д.Э., Регель А.Р., Куликов Г.С. Кремний, легированный редкоземельными элементами: Препринт ЛФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР №1122. Л., 1987. 56 с.
2. Фистуль В.И. Атомы легирующих примесей в полупроводниках. М.: Физматлит, 2004. 432 с.
3. Libertino S. The effects of oxygen and defects on the deep-level properties of Er in crystalline Si // J. Appl. Phys. 1995. Vol. 78. No. 6. P. 3867-3873.
4. Erbium doping in silicon by thermal in diffusion / E. Wong, H. Liu, Sh.Q. Man et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. Vol. 37. No. 6B. P. 3669-3672.
5. Назыров Д.Э. Геттерирование золота самарием и гадолинием в кремнии // Электронная обработка материалов. 2007. № 3 (245). C. 77-82.
6. Назыров Д.Э., Базарбаев М.И., Иминов А.А Диффузия иттрия в кремнии // Физика и техника полупроводников. 2006. Т.40. Вып. 7. С. 788-789.
7. Назыров Д.Э. Диффузия иттербия в кремнии // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37. Вып. 9. С. 1056-1057.
8. Назыров Д.Э., Куликов Г.С., Малкович Р.Ш. Диффузия эрбия и тулия в кремнии // Физика и техника полупроводников. 1991. Т. 25. Вып. 9. С. 788-789.
9. Зайнабидинов С., Назыров Д.Э. Диффузия, растворимость и электрические свойства скандия и празеодима в кремнии // Изв. вузов. Физика. 2007. № 1. С. 75-77.
Поступило в редакцию 17.06.2019 г.; после доработки 17.06.2019 г.; принято к публикации 19.11.2019 г.
Зайнабидинов Сиражиддин - академик Академии Республики Узбекистан, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики твердого тела Андижанского университета Узбекистана имени Мирзо Бабура (Республика Узбекистан, 170100, г. Андижан, ул. Университетская, д. 129), anddu_rector@edu.uz
Назиров Дилшад Эргашевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики полупроводников и полимеров Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улуг-бека (Республика Узбекистан, 100174, г. Ташкент, ул. Университетская, д. 7), rector@nuu.uz
References
1. Nazyrov D.E., Regel A.R., Kulikov G.S. Silicon, doping rare-earth elements. Preprint of the A.F. Ioffe Leningrad Physico-Technical Institute of the Academy of Sciences of the Union of Soviet Socialist Republics no. 1122., Leningrad, 1987. 56 p. (in Russian).
2. Fistul' V.I. Atoms of dopants in semiconductors: Monograph. Moscow, Fizmatlit Publ., 2004. 432 p. (in Russian).
3. Libertino S. The effects of oxygen and defects on the deep-level properties of Er in crystalline Si. J. Appl. Phys. 1995, vol. 78, no. 6, pp. 3867-3873.
4. Wong E., Liu H., Man Sh.Q., Pun E.Y.B., Chung P.Sh. Erbium doping in silicon by thermal in diffusion. Jpn. J. Appl. Phys., 1998, vol. 37, no. 6B, pp. 3669-3672.
5. Nazyrov D.E. Gettering of gold by samarium and gadolinium in silicon. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2007, vol. 43, no. 3, pp. 218-221.
6. Nazyrov D.E., Bazarbaev M.I., Iminov A.A. Diffusion of yttrium in silicon. Semiconductors, 2006, vol. 40, iss.7, pp. 768-769.
7. Nazyrov D.E. Diffusion of ytterbium in silicon. Semiconductors, 2003, vol. 37, iss. 9, pp. 1031-1032.
8. Nazyrov D.E., Kulikov G.S., Malkovich R.Sh. Diffusion of erbium and thulium in silicon. Soviet Physics Semiconductors. USA, 1991, vol. 25. pp. 997-998.
9. Zainabidinov S., Nazyrov D.E. Diffusion, solubility and electrical properties scandiy and praseodim in silicon. Russian Physics Journal, 2007, vol. 50, no.1, pp. 75-77.
Received 17.06.2019; Revised 17.06.2019; Accepted 19.11.2019.
Information about the authors:
Sirojiddin Zainobidinov - Academician of the Academy of the Republic of Uzbekistan, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Solid State Physics Department, Mirzo Babur University of State Andijan (Uzbekistan, 170100, Andijan, University st., 129), anddu_rector@edu.uz
DilshadE. Nazirov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof. of the Physics of Semiconductors and Polymers Department, Mirzo Ulugbek National University of Uzbekistan (Uzbekistan, 100174, Tashkent, University st., 7), rector@nuu.uz
