Низкотемпературная спектроскопия точечных дефектов в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Л

САФОНОВ Алексой Николаевич НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученоя степени кандидата фиоико-математических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель

доктор физико-математических наук

А.С.Каминский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор .

доктор фиаико-математических наук

Т.И.Лифшиц Н.С.Аверкиев

Ведущая организация:

Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллическоя промышленности

30

Завита диссертации состоится 26 илня 1992 г. в 12 часов ш заседании специализированного совета Д 002.74.01 в Институт* радиотехники к электроники РАН по адресу: 100907, Москва, Моховаз 6.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан * " мая 1992 г. Ученый секретарь

специализированного совета Д 002.74.01 доктор фивико--математических наук

С.Н.Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследование свойств точечных дефектов, определяющих многие электрически® и оптические свойства полупроводниковых материалов, является одним из наиболее развивающихся направления физики полупроводников.

Для кремния, одного иа основных материалов современной электронной промышленности, важное яначение имеют примеси замещения III mV групп, являющиеся основными легирующими добавками, и радиационные дефекты, возникающие на различных стадиях создания и эксплуатации полупроводниковых приборов. Изучение свойств таких дефектов и носителей заряда, связанных на них, необходимо для понимания процессов, протекающих в кремнии и определяющих его физические свойства.

Наиболее эффективными методами исследования, позволявшими с высокой точностью определять структуру энергетических состояния дефектных центров в кристаллах, являются спектроскопические измерения, в том числе фотолюминесценция к спектроскопия ИХ-поглоиения. Развитие в последнее десятилетие экспериментальноя техники, в частности, появление аппаратуры высокого спектрального разрешения, а также аппаратуры, позволявшей проводить точные температурные измерения, измерения временных характеристик оптических переходов и эксперименты с одноосной деформацией кристаллов в сильных магнитных полях, позволяют исследовать многие мелкие* по масштабу, но важные по значению эффекты взаимодействия связанных носителей мелду собой, а также с потенциалом дефектных центров и колебательными модами кристалла. Точные микроскопические расчеты таких взаимодействий затруднительны, поэтому более плодотворным оказывается метод эквивалентного гамильтониана, учитывающего требования симметрии и содержащего параметры (константы деформационного потенциала, g-фахтора и др.), которые берутся из расчетных данных или из сопоставления с экспериментом. Такой подход придает физическую осмысленность и наглядность рассматриваемым процессам и позволяет учитывать различные виды (электрон-колебательного, обменного,

спин-орбитального, статического искажения исходной симметрии и др.) воздействий на состояние центра. '

Целью настоящей работы являлось;

1. Исследование тонкой структуры а-полос излучения экситонов, связанных на акцепторных атомах в кремнии.

2. Исследование температурных зависимостей и механизмов уширения линий излучения связанного экситона (СЭ1 и линий поглощения для атомов III и V групп в кремнии.

3. Исследовалие свойств экситонов, связанных на радиационных дефектных комплексах (ДК) в кремнии.

Практическая ценность работы. Использованные в работе люминесцентные методики имеют практическое значение для определения примесного и дефектного состава полупроводников, а также контроля их качества. Результаты, полученные при исследовании радиационных дефектов, могут быть полезны для обработки режимов отжига при нейтронном транснутационном легировании кремния.

Научная новизна. Проведенные в работе исследования 'существенно расширили представления о природе и структуре дефектных центров в кремнии.

Анализ различных зидов взаимодействия связанных носителей ааряда между собой, а также с потенциалом дефектных центров и колебательными модами кристалла позволил объяснить многие оптически® свойства мелких примесных атомов III и групп и радиационных дефектов а кремнии.

Разработанные в диссертации методы анализа рекомбинационного излучения могут быть ' использованы для исследования различных оптических переходов между мелкими локализованными состояниями носителей, связанными с дном зоны проводимости и потолком валентной зоны.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Показано, что структура а-полос излучения экситонов, связанных на атомах AL и Ga, опредэляется доли;1-орбитальным расщеплением (ДОР) основного состояния связанного экситона на три терма Tj, Г^. Гд и сверхтонким расщеплением ДОР компонент спечтра, вызванным понижением симметрии акцепторного центра вследствие эффекта Яна- "Геллера.

В результате анализа спектрального распределения интенсивности и поляризации рекомбинационного излучения (РИ) в образцах, подвергнутых одноосному сжатию, определены величины и онаки констант, характеризующих долин-орбитальное расщепление основного состояния экситонов, связанных на атомах AI и Ga; найдены константы, определявшие относительные вероятности бесфононных излучательных переходов и константы деформационного потенциала Ъ* и d' для основного состояния дырки.

2. Определены температурные зависимости уширения линия излучения связанных экситонов и линия ИХ-поглошения для примесей III и V групп в кремнии. Обнаружено резкое раоличие в температурных зависимостях уширения линия поглощения и линия излучения связанных экситонов для атомов дснорного и акцепторного типа. В случае доноров эти зависимости объясняются взаимодействием примесных центров с акустическими колебаниями решетки. В случае акцепторов наблюдаемые температурные уширения линий поглощения и СЭ • объяснены взаимодействием дырок с квазилокальными колебаниями акцепторного центра.

3. В результате исследования спектров рекомбинационного излучения -экситонов, связанных на радиационных дефектных центрах, образующихся после нейтронного облучения и изотермического отжига в кремнии, обнаружены новые дефектные комплексы, имеющие линии излучения СЭ 1.1519, 1.1390, 1.13818, 1.13786, 1.13285, 1.12841, 1.1280, 1.11444, 1.11234 эВ.

Установлено сильное влияние водорода на дефектообразование в кремнии.

Для центров Bgg, B^j, B5Q' bq5 определена симметрия

дефектных комплексов и энергетическая структура состояния экситонов, связанных на них; установлены оптические и термические величины энергия связи экситонов на центрах, а также получены константы деформационного и зеемановского расщопления линия излучения экситонов, связанных на дефектных комплексах. Показано, что рекомбинационные своясва СЭ на ДК определяются характерной для них структурой возбужденных состояний.

Апробация работы. Основные реоультаты работы докладывались на XXXII ежегодной конференции МФТИ (Москва, '1966 г.), 1-оя национальной конференции "дефекты в полупроводниках" (Санкт-Петербург, апрель 1992 г.), на научных семинарах ИФТТиП АН Беларуси, ИРЭ РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.'

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы -Ц2 страниц, 76 страниц машинописного текста и 36 рисунков. Список литературы содержит 71 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована основная цель работы, дано краткое содержание отдельных глав. .

В первой главе описаны методики эксперимента.

В первом рааделе этой главы кратко" наложена технология приготовления образцов, спектры РИ и ИК-поглощения которых научались в работе.

Во втором разделе дамо краткое описание экспериментальной установки для исследования спектров РИ.

Во второй главе представлены результаты исследований структуры а-полосы излучения екснтонов, связанных на атомах III группы в кремнии. Глава состоит ио- двух параграфов.

Первый параграф посвящен результатам исследования долин-орбиталъного расщепления основого состояния сэ на атомах AI,Ga,In в кремнии.

Весфоноаные (NP) полосы излучения экситонов, связанных на мелких акцепторах, в кремнии, имеют сложную структуру в отличие от узких бесструктурных линия излучения экситонов, связанных на донорах V группы. Эти пслосы соответствуют излучательным переходам между состояниями связанного экситона, включающего в спой состав дне дырки и электрон, и состоянием акцепторного центра. Известно, что в результате взаимодействия дырок между

&

собой, а тахжэ, взаимодействия дырок с короткодействующим тетраэдрическим полем примеси основное дырочное состояние СЭ расщепляется на три терма: ri»rg и гз* Величина этого расщепления зависит от химической природы примеси и составляет 1-2 мэВ. Поэтому при излучательной рекомбинации экситона, связанного на акцепторе, в спектре видны три полосы: а,/? и у, отвечающие рекомбинации экситона , соответственно, из основного или одного из возбужденных состояний.

Анализ спектров, записанных при 4.2 К и достаточном спектральном разрешении, показал, что a-NP-полосы излучения экситоноа, связанных на атомах Al,Ga,In, состоят из нескольких компонент. Для того чтобы понять причины обуславливающие структуру а-полос излучения, было исследовано распределение интенсивности и поляризации РИ в образцах, подвергнутых одноосному сжатию в направлении 1111J и 1100).

Полоса излучения а возникает при излучательном распаде СЭ из основного состояния, которому соответствует двухдырочная волновая функция, преобразующаяся по единичному представлению Tj. По этой причине при одноосной деформации реСсщепление термов основного состояния СЭ может происходить только за счет расщепления электронных состояний СЭ. Конечным состоянием при излучательном распаде СЭ является нейтральный акцептор, волновая функция которого преобразуется по неприводимому представлению Гд. Поэтому при одноосном сжатии кристалла конечное состояние всегда расщепляется на два. При сжатии в направлениях [1111 и (100] величина этого расщепления равна соответственно (dVV3)S44P и 2b'tSjj-SjjJP, где S44= 1,256*10"11 Па-1, Sj ^0,768« 1<Г11 Па-1,

S12=-0,214»10 ^Па Ь' и d'-константы деформационного потенциала основного состояния СЭ, Р-давление.

Выло предположено, что наблюдаемая структура а-полос связана с ДОР основного состояния СЭ. Долин-орбитальное расщепление электронных состояний, локализованных на мелких примесных центрах, присуще только многодолинным полупроводникам. Электронные волновые функции в таких полупроводниках суть удовлетворяющие условиям. симметрий линейные комбинации однодолинных электронных состояний и

формируются са . счет междслинного рассеяния электронов на потенциале, создаваемым примесным центром. Это'явление хорошо известно и изучено для электронов, связанных на примесных центрах донорного типа /1/, и практически не исследовано для электронов, входящих в состав многочастичкых экситон-примесных комплексов на примесях акцепторного типа.

Предположение о ток, что структура полосы а определяется ДОР термов сэ, подтверждается тем, что при сжатии образцов вдоль направления [111], не вызывающем расщепления электронных термов, характерная форма полос излучения, соответствующих различным конечным состояниям, во многом напоминает форму исходной полосы.

Для получения более конкретных сведений о ДОР термов сэ был выполнен детальный анализ спектров РИ, основанный на теории симметрии. В итоге были найдены величины и знаки констант, опроделяхгаих ДОР для эхситонов, связанных на атомах галлия и алюминия в кремнии.

При расчетах * использовалась упрощенная модель экситона, связанного на атомах галлия и алюминия в кремнии. Предполагалось, что дырочная часть волновой функции основного состояния СЭ задается двухчастичной антисимметризованноя функцией вида

<г1'Г21Г1Ь'0>=1л52^1п(г1)^1и(г2,-(гГг2,) « П

Эта функция преобразуется по единичному представлению Г^' и

описывает состояние СЭ с -моментом равным нулю. В (1) функции

"т и <ю=-1/,2> -3/2) преобразуются под действием операций

симметрии так же, как и функции канонического базиса 1ш> /2/,

при этом г близки к соответствующим акцепторным волновым

г? *

функциям а пространственно более протяженны, К-

оператор .инверсии аренени. Считалось также, что шестикратно

вырожденное по долинам электронное состояние сэ расщепляется

под действием потенциала центральной ячейки на три

состояния: Г®,Гд и Гд, которые при приложении к кристаллу

давления изменяются так же, как в обычном доноре /\/.

Расчет относительных вероятностей распада экситонов, связанных на акцепторах, был сделан в два этапа. Сначала был произведен расчет относительных амплитуд вероятности

аннигиляции »лектрона, волновая функция которого является линейной комбинацией однодоликных электронных волновых функций, и дырки в состоянии 1в>. Выражения для относительных амплитуд вероятности таких переходов, выраженные через параметры X, ») и у, характеризующие бесфононныя иолучательныя распад экситонов, представлены в табл.1/3/. Линейные комбинации электронных однодолинных состояния в табл.1 образуют полный базис, т.е. любая другая комбинация может быть набрана из приведенных в первой строке табл.1. Эта таблица полезна при анализе бесфононноя излучательноя аннигиляции экситонов, связанных как на донорах, так и на акцепторах в кремнии. Далее, с использованием табл.1 были рассчитаны относительные вероятности различных бесфононных излучатольных распадов эксионов, связанных на акцепторах. Выражения для относительных вероятностей рекомбинации СЭ при сжатии кристаллов в направлениях [111] и [100] зависят от трех параметров Х',Т и у' и не зависят явно от конкретного вида функция <Pm,Vm-

Из оптимального согласия рассчитанных спектров с экспериментальными, были определены значения параметров X*, rj• и у' и взаиморасположение термов rj»r3 и Г5 связанного экситона. Взаиморасположение этих термов принято задавать двумя параметрами /1/: Aj=E(Гд)-Е( Tj) и А2=Е(гз'~Е( ri>f ГД0 Е(Г^)-энергия, соответствующая терму Г^.Определенные "таким образом параметры для экситонов, связанных на атомах галлия, равны Дj=-13 мкэВ, А2=-42 мкэВ, rj'/j-' 1.

Анализ спектров излучения экситонов, связанных на примесных атомах алюминия, проще. Это связано с тем, что в этом случав в спектре хорошо выделены все три пика РИ . Для того чтобы идентифицировать пики, была исследована поляризация РИ в образцах, подвергнутых сжатию в направлении (111]. В результате были определены значения констант Aj и которые равны соответственно -83 и -108 мкэВ.

а-полоса излучения экситсчов , связанных на примесных атомах индия в кремнии, состоит по крайней мере иа двух заметно уширенных линия РИ, отстоящих друг от друга приблизительно на 100 мкэЗ. Расщепление e-лолосы РИ,

по-видимому, связано с ДОР электронных состояния СЭ, так как при сжатии кристалла вдоль оси [111] эта полоса расщепляется на две, эквивалентные исходной, так же, как и в случае с алюминием и галлием.

Второй раздел второй главы посвящен научению тонкой структуры спектров РИ ексигонов, связанных на ацепторах в кремнии.

Для разрешения тонкой структуры «-полос получения СЭ спектры, полученные с использованием интерференционной методики, подвергались операции деконволюции, что позволяло частично "странить искажения, вносимые спектрометром, в итоге спектральное разрешение увеличивалось в несколько раз и составляло 5 мкэВ.

Характерным для спектров РИ, полученных в отсутствие одноосного сжатия образцов , является растепление, по крайней мере, на две компоненты каждой из линий, связанных с ДОР основного состояния СЭ. При сжатии образцов в направлении [111] спектральное распределение РИ резко меняется: конечное (по отношению к оптическому переходу) акцепторное состояние Гд расщепляется на два Г^ и Гб+Г7 и в спектрах появляются две идентичные группы линий, каждая из которых соответствует оптическим переходам в эти состояния. Деформация кремния вдоль направления [111] не снимает вырождения электронов по долинам и не должна заметно влиять на долин-орбитальное взаимодействие электрона с центральной -ячейкой. Поэтому, естественно, что спектры соответствующие этим переходам, если не учитывать более тонкой структуры, совпадают со спектрами, полученными при Р=0 (р-давление). Важно то, что при сжатии образцов в направлении till] исчезает тонкая структура и компоненты спектра, связанные с ДОР, становятся приблизительно в два раза уже.

Тонкое расщепление линий РИ экситонов, связанных на акцепторах (Р=0), было объяснено понижением симметрии акцептора вследствие эффекта Яна-Теллора.

Для донорных центров аналогичного расщепления в спектрах РИ не наблюдается. Это естественно, так как основное электронное состояние донора не вырождено и эффект Яна-Теллера не может

привести к расцеплении спектральных линий РИ.

В третьей главе представлены результаты исследования температурного уцирения линия излучения СЭ и линий поглощения примесей III и V групп в кремнии.

Первый раздел данной главы i.освящен температурному уширению линия излучения связанных экситонов.

Исследования проводились на образцах монокристаллического кремния с примесью бора, алюминия, галлия, индия, фосфора, мышьяка и висмута, полученных методом бестигельной зонной плавки. Их температура мсгла плавно меняться от 2 до 60 К и измерялась откалиброванным по газовому термометру термосопротивлением.

При повышении температуры образцов происходит уширение линий излучения экситонов, связанных на атомах III и V групп, однако, между донорами и акцепторами наблюдается существенное различие. Линии излучения СЭ, относяшеся к различным донорам, с ростом Т уширяются приблизительно одинаково. В случав акцепторов зависимости бЕ I ширима линий излучения СЭ на полувысоте) от Т резче, чек в случае доноров, при атом <5Е увеличивается с ростом Т тен больше, чем больше энергия связи дырки ка акцепторе. Одновременно с . увеличением <5Е при повышении температуры происходит смещение в длинноволновую часть спектра максимумов полос РИ экситонов, связанных как на донорах, так н на акцепторах. Зависимости смещения максимумов полос РИ (ДЕ) от Т для всех исследованных доноров совпадают между собой. В случае хе акцепторов зги зависимости различны для разных акцепоров.

выли проанализированы различные механизмы, приводящие к уширению линий СЭ; 1) конечное время жизни основного состояния сэ, 2) температурные флуктуации тензора деформации, 3) флуктуации потенциала, создаваемого нейтральной ячейкой, и т.д.

1. Механизм уширеиия, обусловленный конечным временем жизни основного состояния СЭ 1 не дает существенного вхлада в наблюдаемое уширение линия. С помощью этого механизма трудно обьяснить наблюдаемые зависимости АЕ и <5Е от Т. Во-первых, a-NP полоса РИ экситонов, связанных на примесных атомах индия,

уширяется сильнее, чем a-NP плоса экситонов, связанных на атомах галлия, тогда как в случае индия для перехода экситона в возбужденное состояние или в экситонную зону требуется приблизительно вдвое большая энергия. Бо-вторых, наблюдается резкое отличие зависимостей ДЕ от Т для примесных атомов индия, галлия л доноров, в-третьих, в случае доноров вместо экспотенциальной зависимости iE от Т и лоренцевой формы линии РИ имеет место приблизительно линейная зависимость 5Е от Т в интервале температур 10-50 К и несимметричная форма линии РИ.

2. Вызываемые низкочастотными акустическими колебаниями решетки флуктуации тензора деформации должны приводить к расщеплении электронных и дырочных состояний и уширению линий излучения связанных экситонов. Рассматриваемый механизм позволяет понять полученные зависимости iE и SE от Т для экситонов, связанных на донорах. То, что эти зависимости практически одинаковы для всех доноров, естественно, так как константы деформационного потенциала связанных на донорах экситонов слабо отличаются друг от друга. Наблюдаемые зависимости ¿Е от Т, которые в интервале 10-50 К близки к линейной, удовлетворительно согласуются с зависимостью от Т амплитуды длинноволновых акустических колебаний, имеющих 1kl— 2гг/аб <аб~ боровския радиус экситона) и энергию 1,5 мэВ и дающих основной вклад в уширение /4/.

3. Чтобы понять наблюдаемые зависимости ДЕ и ÖE от Т в случае акцепторов, нужно учесть взаимодействие связанных дырок с квазилокальными колебаниями акцепторного центра. Большая часть энергии связи дырки на атомах Al,Ga,In обусловлена потенциалом центральной ячейки, создаваемым примесным атомом и его ближайшим окружением, поэтому энергия дырки должна быть чувствительна к локальному изменению положения атомного центра. При этом можно ожидать, что величина взаимодействия дырки с локальными фононами тем больше, чем больше энергия связи дырки на акцепторе. Нужно учесть также, что акцепторы III группы в кремнии являются центрами Ян-Теллеровского типа и фонон-дырочное взаимодействие приводит к размягчению валентных связей. При повышении температуры происходит возбуждение квазилокальных колебаний акцепторного центра, энергия и

амплитуда которых зависят от формы адиабатического потенциала центра. Амплитуда таких колебания будет больше для более глубоких примесей с большей фонон-дырочмой связью и имевших большую массу примесного атома. Эти колебания приводят к флуктуациям потенциала центра; зноя ячейки и, следовательно, к утиранию линия РИ.

Второй раздел посвящен исследованию теиг1ературного уширения линий ИК-поглощения принесея III и V групп в кремнии.

Из первого раздела следует, что существует принципиальная разница в механизмах уширения линия излучения экситонов, связанных на донорах и на акцепторах, и следовало бы ожидать, что различие между донорами и акцепторами должно наблюдаться также в утирании линия ИК-поглощения.

Для исследования брались образцы монокристаллического

кремния, выращенные методом бестигелъноя зонной плавки с

14 -3 15 -3

концентрацией примесея: Р п=3* 10 см" , Аз п= 7* 10 см , В

п=10И см"3, А1 п-1016 см"3, ва п=8«1014 см"3, 1п п=101б.см~3.

Измерения проивводились на фурье-спектрометре ВА3.002 фирмы

"Вотею", позволявшем записывать спектры со спектральным

-3

разрешением 0,01 см . Температура образцов могла плавно меняться от 3 до 60 К.

При 5 К линии поглощения в случае доноров имеют примерно одинаковую ширину для различных, переходов и значительно уже, чем в случае акцепторов. При этом наблюдается увеличение ширины линий поглощения при переходе к акцепторам, имеющим большую энергию связи дыр:си в основном состоянии. При повышении Т происходит монотонное уширение линия поглощения как для доноров, так и для акцепторов, и линии поглощения, отвечающие различным переходам для одной примеси, уширяются одинаково, с точностью до первоначальной при 5 К разницы в ширине линия. Аналогично линиям излучения сэ линии ИК-логлощения в случае ' акцепторов уширяютсг значительно сильнее с ростом температуры, чем в случае доноров, при этом упгирение тем больше, че( больпе энергия связи дырки на акцепторе.

Механизмами уширения линия поглощения, связанными с перекрытием волновых функция примесных центров и наличием

электрических полей, образованных заряженными примесями, в нашем случае можно пренебречь. На то, что эти два механизма не играет существенной роли, указывает и тот факт, что отсутствует увеличение уширения линий для переходов в более высокие (мелкие) возбужденные состояния, для которых перекрытие волновых функция и штарковское смещение уровней должны проявляться сильнее.

Наблюдаемые температурные зависимости уширения линия поглощения так же, как линий излучения СЭ, в случае доноров объяснены взаимодействием связанных носителей с акустическими колебаниями кристаллической решетки. Это соответствует случаю слабого электрон-фононного взаимодействия с линейной зависимостью уширения линий от температуры /5/.

Зависимости уширения акцепторных линьй поглощения от Г, как и зависимости уширения линий излучения СЭ, объяснены взаимодействием дырок с квазилокальными колебаниями примесных центров. Учет того, что вследствие некрамерсово вырождения основного состояния дырки Гд акцепторы III группы являются Янн-Теллеровскими центрам, а также того, что величина взаимодействия дырок в основном состоянии с квазилокальными модами для атонов Al,Ga,In может быть значительной, позволяет понять наблюдаемы© экспериментальные результаты. Вследствие фонон-дырочного взаимодействия переходы из различных термически возбужденных вибронных состояния имеют разную частоту, что приводит к уширению линий поглощения. С возрастанием температуры и усилением квазилокальных вибронных колебаний уширение происходит тем сильнее, чем больше величина фонон-дырочного взаимодействие.

Четвертая глава посвяшена результатам исследования РИ экситонов, связанных на точечных дефектах, возникающих после нейтронного облучения и изотермического отжига в кремнии.

В результате сравнения спектров РИ различных по составу и режимам отжига образцов было обнаружено сильное влияние водорода на образование дефектов в кремнии. При одинаковых режимах обработки спектры РИ кристаллов, выращенных в атмосфере водорода, и кристаллов, выращенных в атмосфере аргона, кардинально отличаются.

Исследовались дефектные комплексы, имеющие энергию свяаи экситпнов порядка 10-20 мэВ, что сравнимо с янергиея свяаи экситонов на мелких примесных атомах III и V групп. Это дает основания для сравнения и сопоставления экситонов, связанных на дефектных центрах, с экситс..ами , связанными на атомах III и V групп, многие свойства которых достаточно хорошо изучены. В частности, вызывают интерес вопросы о природе связи экситонов на таких центрах, о применимости метода эффективной массы для описания исследуемых центров, о взаимодействии связанных носителей заряда и структуре энергетических состояния Сэ.

Линии излучения Х31, xjfl, xje. X*r X*,, X^, х*9> и

фононные повторения линия Xgg, Xj^, вероятно, наблюдались впервые. Нужно отметить, что отождествление линий с приведенными в литературе осложнялось тем, что авторы ряда работ либо вообще не приводят спектрального положения линий излучения, либо приводят с недостаточной точностью.

Для исследования своясв ДК и экситонов, связанных на них, были проведены различные/ магнетопьезоспектроскспические и температурные измерения. . В результате были получены оптимальные режимы отжига ДК и определены симметрия ДК, оптические и термические энергии связи экситонов на ДК, структура состояний СЭ, а так же характер деформационного и зеемаловского расщепления линий излучения СЭ.

Исследования различных по стуктуре и составу ДК показали, что они обладают рядом общих особенностей. Установлено, что исследуемые центры имеют изоэлектронную природу и характерное расположение нижних энергетических состояния СЭ: основное зостояние- триплетное, первое возбужденное- синглетное, при этом вероятность излучательного распада СЭ из основного :остояния намного меньше, чем из первого возбужденного.

Анализ полученных результатов поззоляет сделать вывод, что ЗЭ на исследуемых ДК по своим свойствам существенно отличаются >г СЭ на атомах III и V групп. Например, в спектрах РИ СЭ на К одновременно с узкими пиками бесфононных переходов |рисуютвуют широкие полосы фононых повторений, что характерно ,ля изоэлектронных ДК и свидетельствует о сильной

1R

делокализации в к- пространстве волновой функции, по крайней мере, одного из носителей заряда. Плотность распределения интенсивности в таких полосах РИ качественно отражает плотность распределения фононов в кристалле. Так же трудно объяснить, исходя из характера движения экстремумов валентной зоны и зоны проводимости, наблюдаемые деформационные расщепления линий СЭ на ДК. Поэтому, несмотря на малую энергию связи, СЭ на исследуемых ДК по своим свойствам близки к СЭ на глубоких ДК.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

1. Создана установка для исследования низкотемпературной люминесценции кремния в интервале температур от 2 до 70 К и в однородных нагнитных полях от 0 до 6.5 Т, с испольвованием интерференционной методики и математической обработки спектров. Высокое спектральное разрешение ( 5мкэВ) позволило получить ряд новых результатов.

2. Ь результате исследования рекомбинационного излучения экситонов, связанных на атомах III группы о кремнии, было установлено, что структура а-полос излучения экситонов, связанных на атомах AL и- Ga, определяется долин-орбитальным растеплением основного состояния связанного экситона на три терма Tj, Tg, Гд и сверхтонким расщеплением ДОР компонент спектра, вызванным понижением симметрии акцепторного центра вследствие эффекта Яна- Теллера.

В результате анализа спектрального распределения интенсивности и поляризации рекомбинационного излучения в образцах, подвергнутых одноосному сжатию, определены величины и знаки констант, характеризующих долин-орбитальное расщепление основного состояния экситонов, связанных на атомах AI и Ga; найдены константы, определяющие относительные вероятности бесфононных излучательных переходов и константы деформационного потенциала Ь' и d' для основного состояния дырки.

3. Проведено исследование температурного упшрения пиния излучения связанных экситонов к гиний ИК-поглощения для

примесей III и V групп в кремнии, обнаружено реокое отличие в температурных вависимостях уширения линия поглощения и линия излучения связанных экситонов для атомов донорного и акцепторного типа. В случае доноров эти зависимости объяснены взаимодействием примесных центров с акустическими колебаниями решетки. В случае акцепторов линии поглощения и линии излучения СЭ уширяются сильнее, чем в случае доноров, при этом уширение линий с ростом Т тем больше, чем больше энергия связи дырки на акцепторе. Наблюдаемые зависимости уширения акцепторных линий поглощения и СЭ объяснены взаимодействием дырок с квазилокальными колебаниями акцепторного центра.

4. В результате исследования спектров рекомбкнационного излучения экситонов, связанных на радиационных дефектных центрах, образующихся после нейтронного облучения и изотермического отжига ю кремнии, обнаружены новые дефектные комплексы, имеющие линии излучения СЭ 1.1519, 1.1390, 1.13816, 1.13786, 1.13285, 1.12841, 1.1280, 1.11444, 1.11234 эВ.

Установлено сильное влияние водорода на дефектообразование в кремнии.

Для центров Вод, в|д, В^, Вдд, определена симметрия

дефектных комплексов и энергетическая структура состояний экситонов, связанных на них; установлены оптические и термические величины энергия связи экситонов на центрах, а так же получены зависимости расщепления линий излучения экситонов, связанных на дефектных комплексах, от деформационных й магнитных полей. Покакзано, что рекомбинационные свойсва СЭ на ДК определяются характерной для них структурой возбужденных состояний.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Каминский A.C., Лейфоров D.M..Сафонов А.Н. Экситоны связанные на дефектных комплексах в кремнии,// ФТТ, 1987, т. 29, в. 4, с.961/-970,

2. Горбунов И.В., Каминский A.C., Сафоноп А.Н. Долин-орбитальное растепление основного состояния экситона,

связанного на акцепторах в кремнии.// ЖЭТФ, 1988, т.94, в.2, с.247 -258.

3. Каминский A.C., Сафонов А.Н. Температурное уширение линия излучения экситонов, связанных на нейтральных примесных атомах элементов III и V групп в монокристаллическом кремнии.// ФТТ, 1989, т.31, в.6, с.100-104.

4. Каминский A.C., Сафонов А.Н., Лавров Э.В. Кинетика распада экситонов, связанных на иооэлектронных ловушках в кремнии, облученном нейтронами.// ФТТ, 1991, г.33, в.З, с.859-867.

5. Каминский A.C., Сафонов А.Н. Тонкая структура спектров рекомбинационного излучения экситонов, связанных на акцепторах в кремнии.// Письма в ЖЭТФ, 1992, т.55, в.4, с. 245-247.

6. Агладве H.H., Каминский A.C., Сафонов А.Н. Температурное уширение линий поглощения элементов III и V групп в монокристаллическон хремнии.// Труды 1-оя национальной конференции "Дефекты в полупроводниках.", г.Санкт-Петербург, апрель 1992 г.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кулаковския В.Д., Пикус Г.Е., Тимофеев В.в. // УФН, 1981, т. 135, с. 237 -284.

2. Lyon S.A., Ostraurn G.C., Smith D.L., McGill T.C.// Sol.St.Comm. 1977, v. 23, p.425.

3. Горбунов M.B., Каминский A.C., Сафонов А.Н.// ЖЭТФ, 1988, т.94, в.2, с.247 -258.

4. Lax М., Burstein Е. /.' Рйуз. Eev. , 1955., v. 100., p.p.592-602.

5. Берсукер И.В., Полингер В.З. "Вибронные взаимодействия в молекулах и кристаллах." Москва:"Наука", 1983 г., 336 С.

is