Книги по разным темам Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Дефекты кристаллической структуры и холловская подвижность электронов в слоях Si : Er / Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии й В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова, В.Н. Шабанов, А.П. Касаткин, С.В. Седова, Г.А. Максимов, З.Ф. Красильник, Е.В. Демидов Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского Государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: lab10@phys.unn.runet.ru Определена холловская подвижность электронов и металлографическим методом исследована плотность дефектов кристаллической структуры в слоях Si : Er, выращенных при температурах 520-580C с помощью сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Введение эрбия в слои Si до концентрации 5 1018 cm-3 не сопровождалось увеличением плотности дефектов, но приводило к значительному уменьшению подвижности электронов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 01-0216439, 02-02-16773) и Минпромнауки РФ (госконтракты № 40.020.I.I.II61, 40.020.I.I.II59).

1. Введение 2. Методы получения и исследования слоев В связи с обнаружением фото- и электролюминесценции (ФЛ и ЭЛ) в структурах Si : Er / Si в диапазоне Эпитаксиальные слои (ЭС) Si : Er толщиной до 1.5-1.6 m возникла потребность в более детальном 3 m выращивались методом СМЛЭ при температуизучении их свойств и исследовании возможностей раз- рах 520-580C со скоростью 1-1.5 m / h в вакууме (2-8) 10-7 mbar на подложках Si(100), легированных ных методов получения структур.

бором (10 cm). Более подробно о методе получения Ионная имплантация Er [1Ц4] Ч наиболее раси его возможностях сообщается в [7,8].

пространенный способ получения люминесцирующих Концентрация и холловская подвижность электронов структур Si. Хорошо известно использование методов в ЭС измерены методом ван-дер-Пау, распределение молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [5,6] и сублиманосителей по толщине Ч электрохимическим вольтционной МЛЭ (СМЛЭ) [7,8].

фарадным методом, распределение примесей, в частноВажным параметром, характеризующим качество кристи Er и O, Ч методом масс-спектрометрии вторичных сталла, является плотность дефектов кристаллической ионов (ВИМС). Важное преимущество метода СМЛЭ Ч структуры. Можно ожидать, что слои, имплантировозможность получать достаточно толстые слои. Это ванные ионами эрбия с большими энергиями, содерпозволило применить простой и надежный метод выжат значительную плотность дефектов, в частности явления дефектов Ч метод селективного травления с 108-1010 cm-2 дислокаций [3]. Исследование дефектов наблюдением в оптическом микроскопе МИИ-4 (300).

в СМЛЭ-слоях Ч одна из целей настоящей работы.

Распределение эрбия по толщине ЭС было одноРанее было показано [3,4], что возбуждение иона Er родным. Концентрация эрбия в слоях NEr составляв обратносмещенном p-n-переходе происходит посредла (2-5) 1018 cm-3. Слои Si : Er имели n-тип провоством столкновения с горячими электронами. В данной димости. Во всех СМЛЭ-структурах наблюдалась ФЛ работе процессы столкновения электронов с комплекпри температуре T = 77 K; обратносмещенные диоды, сами эрбия в СМЛЭ-слоях Si : Er исследуются путем изготовленные их этих структур, обнаруживали ЭЛ анализа холловской подвижности H. Исследования H при 300 K [10].

в структурах Si : Er, полученных методом МЛЭ, нам неизвестны. Зависимость H от концентрации доноров для слоев Si, имплантированных эрбием, приведена 3. Дефекты кристаллической в [9], однако уровень легирования эрбием был невелик структуры (2.5 1017 cm-3) по сравнению с оптимальным для ЭЛ:

NEr 1 1019 cm-3. Вероятно, поэтому изменения по- Дефекты исследовались в p-n-структурах, где p Ч движности H при легировании эрбием в [9] не обнару- подложка, n Ч слой Si : Er. Типичное значение конценжено. Анализ холловской подвижности в СМЛЭ-слоях трации электронов в слое Si : Er n =(1.5-2) 1016 cm-3.

Si : Er Ч вторая цель настоящей работы. Основными дефектами, которые наблюдались в опти7 100 В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова, В.Н. Шабанов, А.П. Касаткин, С.В. Седова, Г.А. Максимов...

ческом микроскопе после травления, были дислокации. зависит от концентрации кислорода NO и достигает при Их плотность 102-104 cm-2 обычно совпадала с плот- NO 1018 cm-3 максимального значения 1850 cm2/V s ностью дислокаций в подложке. Это давало основание (для концентрации доноров < 1013 cm-3). Во всех наших предполагать, что дислокации в слой прорастают из СМЛЭ-слоях NO составляет 1019-1020 cm-3. Поэтому подложки. H(n) для массивного Si на рисунке построена по данГраница слойЦподложка выявлялась в оптическом ми- ным [14], согласно которым максимальная подвижность такая же, как в [13]. Такие же значения H получались кроскопе при слабом избирательном травлении на грани и нами при исследованиях кристаллов n-Si с высоким скола (111) в виде тонкой линии. При более длительном содержанием кислорода, выращенных методом Чохральтравлении на сколе выявляются и дислокационные ямки.

ского.

Их плотность в наших слоях также не превышала Из рисунка видно, что: 1) во всем интервале кон104 cm-2, но обычно они отсутствовали.

центраций холловская подвижность электронов в ЭС Концентрация электронов в диодных структурах, поn-Si без Er совпадает с H в монокристаллах n-Si;

ученных имплантацией Er при оптимальном значении 2) при одинаковых концентрациях электронов значения NEr 1019 cm-3, довольно велика: n 1018 cm-3. Предподвижности в слоях Si : Er в 1.5-3 раза ниже, чем в полагается, что донорами в них являются комплекслоях Si, не легированных Er, и в массивном Si. Уменьсы Er. В СМЛЭ-слоях Si : Er концентрация электронов шение H в слоях Si : Er нельзя объяснить рассеянием на 1018 cm-3 получалась путем дополнительного легироваионизованной примеси. Для этого нужно предположить, ния P или Sb в процессе роста [8]. В СМЛЭ-слоях с что в этих слоях концентрации доноров и акцепторов такой концентрацией после травления дислокационные в десятки раз превышают измеренную концентрацию ямки не обнаруживались. Исчезновение ямок травления электронов. Это не согласуется с результатами анализа при концентрации электронов 1018 cm-3 наблюдалось n(T ). Уменьшение H в слоях Si : Er не может быть и в сильно легированных СМЛЭ-слоях без Er [11], а обусловлено и дефектами кристаллической структуры, также в сильнолегированном массивном кремнии [12].

так как их плотность, как показано выше, невелика.

Уменьшение H логично объяснить рассеянием на 4. Холловская подвижность комплексах Er. Под термином Укомплекс эрбияУ мы электронов будем понимать пространственное образование, включающее атом эрбия и атомы окружащих его примесей.

Холловская подвижность электронов исследова- Значение Er при 300 K, обусловленное рассеянием элеклась в слоях n-Si : Er, изолированных от подложки тронов только на комплексах эрбия, было определено из p-n-переходом. При выращивании таких слоев источ- выражения 1 1 никами атомов Er служили пластины, вырезанные из = -, (1) разных слитков Si : Er. Концентрация электронов в сло- Er exp b ях составляла от 3 1015 до 6 1017 cm-3. Зависимость где exp Ч измеренное значение подвижности в H(n) в СМЛЭ-слоях Si : Er показана на рисунке.

слоях Si : Er, b Ч подвижность в массивном Si Для сравнения приведены значения H в СМЛЭ-слоях с той же концентрацией электронов. Значение Er Si : P, Si : Sb, Si : As, не легированных Er, и в массивном при NEr = 4 1018 cm-3 в среднем составляет около n-Si. Поясним, как была выбрана H(n) для массивного 500 cm2/V s.

n-Si. По данным [13], значение H в массивном n-Si При анализе механизма рассеяния электронов на комплексах Er были использованы две модели. В первой из них предполагалось, что примесный комплекс Er Ч это шар радиусом r0, рассеяние электронов упругое.

В этом приближении [15] 4eL Er =, (2) 3 2mkT c L =, (3) r2NEr где L Ч длина свободного пробега электронов при рассеянии на комплексах Er, e Ч заряд электрона, m Ч эффективная масса проводимости, равная c 0.26m0 (m0 Ч масса электрона) [16]. Если принять NEr = 4 1018 cm-3 и Er = 500 cm2/V s из первой моЗависимость холловской подвижности от концентраии элек- дели следует, что L = 18 nm и r0 = 2.1 nm. Последняя тронов при 300 K для массивного Si (1) и слоев Si : P (2), величина много больше минимального расстояния, на Si : Sb (3), Si : As (4), Si : Er (5).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Дефекты кристаллической структуры и холловская подвижность электронов в слоях Si : Er / Si... котором могли бы находиться примесные атомы кис- [3] G. Franzo, S. Coffa, F. Priolo, C. Spinella. J. Appl. Phys. 81, 6, 2784 (1997).

орода, окружающие атом эрбия. Такое значение r[4] S. Coffa, J. Franzo, F. Priolo, A. Pacelli, A. Lacaita. Appl. Phys.

может быть связано либо с деформацией кристаллиLett. 73, 1, 93 (1998).

ческой решетки вокруг комплекса Er, либо с тем, что [5] Y. Stimmer, A. Reittinger, J.F. Nutzel, G. Abstreiter, атомы примесей удалены от атома Er на расстояния, H. Holzbrecher, Ch. Buchal. Appl. Phys. Lett. 68, 23, существенно большие, чем межатомные.

(1996).

Во второй модели использовалась формула Эргинсоя [6] K. Serna, Jung H. Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman, для времени релаксации при рассеянии на нейтральной P.F. Alkemade. J. Appl. Phys. 79, 5, 2653 (1996).

примеси [17], с учетом которой [7] В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова. ФТП 34, 5, 519 (2000).

[8] Е.Н. Морозова, В.Б. Шмагин, З.Ф. Красильник, А.В. Антоe3m0 m 2 mEr =, (4) нов, В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова. Изв. РАН. Сер. физ. 67, 20(h/2)3NEr m0 m c 2, 283 (2003).

[9] О.В. Александров, А.О Захарьин, Н.А. Соболев, Ю.А. Нигде m = 3(m m2 )1/3/(m-1 + 2m-1)m0 (m Ч продоль колаев. ФТП 36, 3, 379 (2002).

ная эффективная масса электрона, m Ч поперечная эф[10] M. Stepikhova, B. Andreev, V. Shmagin, Z. KrasilТnik, фективная масса электрона) [15], h Ч постоянная ПланN. Alyabina, V. Chalkov, V. Kuznetsov, V. Shabanov, V. Shenка, Ч диэлектрическая проницаемость. Предполагаетgurov, S. Svetlov, E. Uskova, N. Sobolev, A. EmelТyanov, ся, что центр рассеяния Ч водородоподобный нейтральO. Gusev, P. Pak. Матер. совещ. ДНанофотоникаУ.

ный атом, погруженный в среду с диэлектрической проН. Новгород (2001). С. 265.

ницаемостью. При NEr = 4 1018 cm-3 с помощью фор- [11] В.П. Кузнецов, Р.А. Рубцова, Т.Н. Сергиевская, В.В. Постмулы (4) получаем Er = 810 cm2/V s, что удовлетво- ников. Кристаллография 16, 2, 432 (1971).

[12] М.Г. Мильвидский, О.Г. Столяров, А.В. Беркова. ФТТ 6, рительно согласуется с величиной Er = 500 cm2/V s, 12, 3259 (1964).

найденной на основании (1). Согласно (4), [13] T.S. Glowinke, J.B. Wagner. J. Phys. Chem. Sol. 38, 9, T (1977).

L = 3.4 10-9 Er, (5) [14] P.P. Debye, T. Kohane. Phys. Rev. 94, 3, 724 (1954).

300 K [15] А.М. Ансельм. Введение в теорию полупроводников. Гос.

где Er измеряется в единицах cm2/V s, L Ч в cm.

изд-во физ.-мат. лит., М.ЦЛ. (1962). С. 305.

При Er = 500 cm2/V s, T = 300 K значение L = 17 nm.

[16] П.М. Баранский, В.П. Клочков, И.В. Потыкевич. ПолупроОно близко к полученному в первой модели. В данный водниковая электроника. Справочник. Наук. думка, Киев момент трудно отдать предпочтение одному из рассмот(1975). С. 157, 243.

ренных механизмов рассеяния электронов, необходимы [17] C. Erginsoy. Phys. Rev. 79, 6, 1013 (1950).

дальнейшие исследования.

5. Заключение Исследованы плотность дефектов и холловская подвижность электронов в ЭС Si : Er, выращенных методом СМЛЭ. Концентрация Er в слоях составляет до 5 1018 cm-3.

Найдено, что введение эрбия в слои кремния не сопровождается увеличением плотности дефектов кристаллической структуры. Наблюдаемая плотность дефектов (дислокаций) была невелика (102-104 cm-2) и совпадала с их плотностью в подложках Si.

Обнаружено, что холловская подвижность в слоях Si : Er значительно меньше, чем в слоях Si без эрбия при той же концентрации электронов.

ВИМС-измерения проведены в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и в Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).

Список литературы [1] H. Ennen, J. Schneider, G. Pomrenke, A. Axman. Appl. Phys.

Lett. 43, 10, 943 (1983).

[2] Н.А. Соболев. ФТП 29, 7, 1153 (1995).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.    Книги по разным темам