авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами редкоземельных элементов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Захарьин Алексей Олегович

ОБРАЗОВАНИЕ ДОНОРНЫХ ЦЕНТРОВ В СЛОЯХ КРЕМНИЯ, ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность: 01.04.10 – физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт – Петербург – 2006

Работа выполнена в Санкт–Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель –

доктор физико-математических наук, профессор Александров О.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, главный научный сотрудник Теруков Е.И.

кандидат физико-математических наук, доцент Копылов А.А.

Ведущая организация – Институт радиотехники и электроники РАН,

г. Москва.

Защита диссертации состоится “08” июня 2006 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.04 Санкт–Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан “28” апреля 2006 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Мошников В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание оптоэлектронных структур, интегрированных с кремниевыми интегральными микросхемами, является важнейшей задачей микроэлектроники. Один из путей создания светоизлучающих структур на основе кремния заключается в легировании его редкоземельными элементами (РЗЭ). Люминесценция возникает за счет внутрицентровых переходов между спин-орбитально расщепленными в кристаллическом поле 4f- состояниями, принадлежащими РЗЭ. Поскольку 4f-электроны хорошо экранируются внешними 5s- и 5p-электронами, то длина волны излучения слабо зависит от материала кристаллической матрицы и от температуры. Наибольший интерес представляет примесь РЗЭ эрбия [1], так как в спектре люминесценции центра, содержащего ион эрбия, наблюдается узкая температурно-независимая линия на длине волны 1.54 мкм, что соответствует минимуму потерь в кварцевых волокнах. Высокая интенсивность эрбиевой люминесценции наблюдается в структурах Si:Er, полученных методом имплантации. Светоизлучающие структуры, изготовленные на их основе, работают при комнатной температуре, однако для их использования в интегральных микросхемах необходимо повысить интенсивность люминесценции на несколько порядков. В слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия, при последующих отжигах образуются электрически активные центры (ЭАЦ), которые оказывают существенное влияние на интенсивность люминесценции, так как участвуют в процессах возбуждения – девозбуждения люминесценции иона Er3+, а также могут являться центрами безизлучательной рекомбинации. Структуры Si:Er еще недостаточно полно изучены, в частности отсутствует четкое представление о составе ЭАЦ. В связи с этим, является важным установление общих закономерностей образования ЭАЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ.



Цель работы заключалась в установлении закономерностей образования ЭАЦ в слоях кремния, имплантированных ионами различных РЗЭ, и изучении возможностей повышения концентрации этих центров.

Задачи диссертационной работы

1. Исследование электрофизических свойств слоев кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия.

2. Изучение влияния соимплантации ионов электрически неактивных примесей C, N, O и F на образование донорных центров (ДЦ) в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ.

3. Разработка модели образования ДЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ и кислорода.

Научная новизна работы

1. Обнаружено, что при отжигах в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия, образуются донорные центры. Определены концентрационные профили ДЦ и зависимости коэффициента активации донорных центров от температуры отжига. Показано, что профили ДЦ сдвигаются вглубь при увеличении температуры отжига, а температурная зависимость коэффициента активации донорных центров имеет вид кривой с максимумом при 700°С.

2. Исследовано влияние соимплантации ионов кислорода на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия. Установлено, что соимплантация ионов кислорода приводит к повышению концентрации донорных центров и сдвигу профиля ДЦ к поверхности.

3. Определены зависимости коэффициента активации донорных центров от доз имплантации ионов эрбия и кислорода, а также от температуры постимплантационного отжига при дозах имплантации, превышающих порог аморфизации.

4. Проведено сравнительное изучение влияния имплантации ионов электрически неактивных примесей (C, N, O и F) на образование донорных

центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия. Определены профили ДЦ и зависимости коэффициента активации донорных центров от температуры отжига.

5. Исследована зависимость подвижности носителей заряда от концентрации ДЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия и иттербия. Показано, что зависимость имеет вид, аналогичный соответствующей зависимости для основных донорных примесей в кремнии. Определены параметры зависимости.

6. Предложена модель образования ДЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ и кислорода, учитывающая образование нескольких типов ДЦ и кислородных кластеров. Модель позволяет описать концентрационные профили носителей заряда и зависимости коэффициента активации ДЦ от температуры отжига и дозы имплантации ионов кислорода.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия при отжигах в диапазоне температур 600-1100°С образуются донорные центры. Зависимость коэффициента активации донорных центров от температуры отжига имеет вид кривой с максимумом при 700°С.

2. Соимплантация ионов кислорода позволяет повысить концентрацию донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия. Электрически неактивные примеси С, N, O, и F участвуют в образовании донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ.

3. Зависимость подвижности электронов от концентрации донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия и иттербия, описывается аналитическим выражением такого же вида, как и для основных легирующих примесей в кремнии, , при следующих значениях параметров: min = 65 см2/Вс, max = 1340 см2/Вс, Nref = 1.141017 см-3, = 0.76.

4. Модель образования донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ и кислорода, учитывающая образование нескольких типов донорных центров и кислородных кластеров, позволяет описать концентрационные профили носителей заряда и зависимости коэффициента активации донорных центров от температуры отжига и дозы соимплантации ионов кислорода.

Практическая значимость работы

Результаты экспериментальных и теоретических исследований образования донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ, могут быть использованы для определения оптимальных режимов легирования при разработке технологии изготовления оптоэлектронных приборов на основе кремния, легированного РЗЭ.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

Symposium “Light-Emitting Diodes: Research, Manufacturing and Application 1997, USA;

Всероссийское совещание “Нанофотоника”, Март 1999, Нижний Новгород;

Всероссийская молодежная научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике, ноябрь-декабрь 1999, Санкт-Петербург;

Международная конференции “Оптика полупроводников”, май 2000, Ульяновск;

3-я научная молодежная школа “Физико-химические аспекты современного электронного материаловедения”, ноябрь 2000, Санкт-Петербург;

Международный симпозиум “Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках”, октябрь 2001, Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 научных статей.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 122 наименования. Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель работы, ее научная новизна и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер.

Приводятся сведения о наиболее перспективных методах легирования кристаллического кремния примесями редкоземельных элементов.

Показана взаимосвязь электрофизических, структурных и оптических свойств слоев кремния, имплантированных примесями РЗЭ. Приводится обзор экспериментальных данных об электрофизических свойствах слоев кремния, имплантированных примесями РЗЭ. Приводятся имеющиеся в литературе данные об электрической активации этих примесей в кремнии. Представлены известные из литературы сведения об энергетическом спектре электрически активных центров и о возможном составе этих центров.

На основе анализа литературных данных формулируются цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе описываются экспериментальные методики, используемые в рамках диссертационной работы для исследования электрофизических свойств слоев кремния, имплантированных ионами РЗЭ. Профили распределения концентрации имплантированных примесей по глубине определялись методом вторичной ионной масс-спектрометрии. Концентрационные профили ЭАЦ определялись методами вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки Hg-Si и дифференциальной проводимости с удалением слоёв кремния с помощью анодного окисления. Измерение слоевых сопротивлений проводилось четырехзондовым методом. Коэффициент активации донорных центров определялся как отношение количества (интегральной концентрации) донорных центров к дозе имплантации ионов РЗЭ. Зависимость подвижности носителей заряда от концентрации ЭАЦ определялась с помощью измерения эффекта Холла с последовательным химическим стравливанием слоев. Глубина залегания p-n переходов определялась методом косых шлифов.

В третьей главе представлены результаты исследования электрофизических свойств слоев кремния, имплантированных ионами РЗЭ гольмия, диспрозия и иттербия.

Установлено, что в слоях кремния, имплантированных с энергией E = 1 МэВ и дозой QРЗЭ = 11013 см-2 ионами РЗЭ гольмия, диспрозия и иттербия, при отжигах в диапазоне температур 600 – 1100°C образуются донорные центры. Концентрационные профили донорных центров имеют вид кривых с максимумом (рис. 1). Повышение температуры постимплантационного отжига свыше 700°C приводит к уменьшению концентрации донорных центров в максимуме распределения nmax и его сдвигу вглубь образца (рис.1 кривые 1, 3, 5). Зависимости коэффициента активации донорных центров k в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия, от температуры отжига приведены на рис. 2. Для всех исследованных примесей РЗЭ максимальные значения коэффициента активации донорных центров наблюдаются после отжига при температуре 700°С и составляют для РЗЭ диспрозия - 0.23, для РЗЭ гольмия - 0.26 и для РЗЭ иттербия - 0.31 (рис. 2 кривые 1, 3, 5 соответственно).

Совместная имплантация ионов кислорода и РЗЭ приводит к росту концентрации донорных центров и сдвигу максимума профиля распределения ДЦ к поверхности – в область максимума распределения примеси кислорода после имплантации (Rp(O) Rp(РЗЭ)) (рис. 1 кривые 2, 4, 6). При этом коэффициент активации донорных центров увеличивается до значений 0.33 – для диспрозия, 0.43 – для гольмия, 0.53 – для иттербия (рис. 2 кривые 2, 4, 6 соответственно). Полученные результаты свидетельствуют об образовании в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ гольмия, диспрозия и иттербия, донорных центров с участием атомов кислорода.





В четвертой главе приведены результаты изучения электрофизических свойств слоев кремния, имплантированных ионами эрбия и ионами электрически неактивных примесей (O, F, N и C).

Имплантация ионов кислорода приводит к повышению максимальной концентрации донорных центров nmax и росту значений k с последующим их насыщением при увеличении дозы кислорода (рис. 3 и 4 соответственно). При повышении температуры отжига коэффициент активации донорных центров понижается.

При пропорциональном повышении доз совместной имплантации ионов эрбия и кислорода (QOx = 10 QEr), в том числе при дозах выше порога аморфизации (Qa(Er)51013см-2), наблюдается линейный рост nmax до значения ~1.51019 см-3 (рис. 5 кривая 1) при примерно постоянных значениях коэффициента активации донорных центров k 0.15 – 0.20 (рис. 5 кривая 3), после чего наблюдается падение nmax и k. Следует отметить, что линейный рост значений nmax с увеличением доз имплантации ионов эрбия и кислорода наблюдался ранее в работе [2] в отсутствие аморфизации кремния (точки 2 на рис.5). Полученные результаты объясняются образованием донорных центров с участием атомов кислорода.

Проведено сравнительное изучение влияния имплантации ионов электрически неактивных примесей (F, N, C, O) (E = 135-180 кэВ, QEr = 11014 см2) на электрофизические свойства слоев кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия (E=1 МэВ, Q=11013 см-2). Имплантация ионов электрически неактивных примесей приводит к росту коэффициента активации донорных центров (рис. 6) и максимальной концентрации донорных центров nmax (рис. 7) в последовательности фтор – азот – углерод – кислород (при 700оС). Особенности зависимостей k и nmax от температуры отжига (рис.6, 7), связанные с соимплантацией ионов различных электрически неактивных примесей, свидетельствуют об участии этих примесей в образовании донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия.

В слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия и иттербия, с помощью измерения эффекта Холла при комнатной температуре с последовательным химическим стравливанием слоев изучалась зависимость подвижности электронов от концентрации донорных центров. Были измерены профили распределения концентрации ДЦ N(х) и подвижности электронов (х) по глубине и из их сопоставления при одинаковых x построены зависимости подвижности электронов от концентрации ДЦ (N) (рис.8). Концентрационная зависимость подвижности для РЗЭ Er и Yb РЗЭ(N) аппроксимируется такой же аналитическим выражением, как и для основных легирующих примесей (P, As, Sb, B) в Si [3],

, (1)

с относительной погрешностью ~10% при следующих значениях параметров, которые определялись с использованием метода наименьших квадратов: min = 65 см2/Вс, max = 1340 см2/Вс, Nref = 1.141017 см-3, = 0.76. Из рисунка 8 видно, что найденная зависимость РЗЭ(N) (сплошная линия) в исследованном диапазоне концентраций (71015-1017 см-3) близка (относительная погрешность аппроксимации ~13%) к соответствующей зависимости для основных донорных примесей в кремнии don(N) (штриховая линия). Это позволяет считать, что, как и в случае основных донорных примесей, подвижность электронов при комнатной температуре в имплантированных слоях Si:Er и Si:Yb определяется их рассеянием на ионизированных электрически активных центрах и тепловых колебаниях решетки.

В пятой главе предложена модель образования донорных центров в слоях кремния, имплантированного ионами эрбия и кислорода, приводятся результаты численного моделирования.

В рамках модели предполагается, что при отжиге слоев кремния, имплантированных ионами Er+ и содержащих кислород, происходит образование эрбиевых донорных центров двух типов: комплекса Er c собственными междоузельными атомами (СМА) (Er-I) - W1 и комплекса Er с кислородом (Er-O) - W2. Образование комплексов описывается следующими квазихимическими реакциями:

Кинетика образования донорных центров описывается следующей системой диффузионно-кинетических уравнений:

(2)

(3)

(4) , (5)

где t – время отжига, x - глубина, COx – концентрация свободного (несвязанного) кислорода, DOx - коэффициент диффузии атомов кислорода, CI – концентрация СМА, DI – коэффициент диффузии СМА, CW1 и CW2 – концентрации комплексов W1 и W2, соответственно.

- скорость генерации СМА при отжиге имплантационных нарушений, - постоянная времени распада радиационых дефектов, COxi(x) - начальное распределение кислорода после имплантации, Er и Ox - числа СМА, образующихся на один налетающий ион эрбия и кислорода, соответственно, – скорость рекомбинации СМА на объёмных центрах с диффузионной длиной Li. В отличие от СМА и атомов кислорода, атомы Er и их комплексы W1 и W2 полагались неподвижными.

В рамках модели зависимость коэффициента активации донорных центров от температуры отжига (рис. 9) объясняется следующим образом. При увеличении температуры отжига коэффициент активации растет вследствие увеличения скорости генерации неравновесных СМА при отжиге радиационных нарушений, участвующих в образовании центров W1, и повышения коэффициента диффузии атомов кислорода, участвующих в образовании донорных центров W2. При температурах выше 700°С коэффициент активации уменьшается вследствие завершения процесса отжига имплантационных нарушений и, соответственно, истощения источника избыточных СМА вследствие диффузии избыточных СМА к поверхности, являющейся для них эффективным стоком, а также вследствие распада комплексов W2 (Er-O). Из сравнения расчетных зависимостей k(T) с экспериментальными были определены значения параметров: Li = 510-4 см, = 4.510-7 exp(1.61/kBT) с, K1/K2 = 2.510-11exp(1.3/kBT) см3, K3/K4 = 3.210-22 exp(0.55/kBT) см3, где kB – постоянная Больцмана, при которых модель позволяет описать экспериментальные зависимости коэффициента активации донорных центров при имплантации ионов Er+ и O+ в Cz-Si и FZ-Si от температуры отжига в диапазоне 600-1200°С (рис. 9).

Для описания закономерностей образования ДЦ при больших дозах соимплантации кислорода представленная модель была развита. Учитывалась возможность образования многочастичных Er-O центров, а также процесс образования кислородных кластеров, который при наличии радиационных нарушений идет с повышенной скоростью. Полагалось, что электрически активными донорными центрами являются эрбий-кислородные комплексы, включающие, подобно кислородным термодонорам, более трёх атомов кислорода (n 4). Образование и рост эрбий-кислородных комплексов ErOn

(n = 1, 2,…N) происходит путем присоединения свободных атомов кислорода к свободному атому Er или к ранее образовавшимся комплексам:

Er + O ErO; ErO + O ErO2; … ErOn-1 + O ErOn. (6)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.