Тонкая структура спектров рекомбинационнного излучения экситонов, связанных на изоэлектронных центрах в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

С !;

1 0 'бРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ~ .4 Д^Р ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

ЛАВРОВ Эдуард Владимирович

ТОНКАЯ СТРУКТУРА СПЕКТРОВ РЕКОМБШАЩОШОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСИТОНОВ, СВЯЗАННЫХ НА И30ЭЛЕКТР0ННЫХ ЦЕНТРАХ В КРЕМНИИ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1994

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 физико-математических наук

Т.М.Лифшш Н.С.Аверкиев

Ведущая организация:

Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "ГИРЕДМЕТ"

Защита диссертации состоится 13 мая 1994 г. в 12°° часов на заседании Специализированного совета Д002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, Москва, Моховая 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан апреля 1994 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета Д 002.74.01.

доктор физико-математических наук

С.Н.Артеменко

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время резко возрос интерес к [яншо примеси водорода на свойства полупроводниковых сериалов. Это связано с тем, что введение водорода в ряде гчаев позволяет значительно улучшить качество материала либо за >т нейтрализации "вредного" влияния дефектов всегда [сутствувдих в кристаллах, либо за счет возникновения новых ¡лезных" дефектов. Наиболее полно исследовано влияние водорода свойства германия. В случае кремния эти исследования только Гчас получают должное внимание.

Эффективными методами исследования, позволяющими с высокой костью определять структуру энергетических состояний дефектных шлексов (в том числе содержащих в своем составе водород) 1яются спектроскопические измерения, в том числе фотолюми-;ценция, возникающая при рекомбинации связанных на центре жтрона и дырки. При этом каждому комплексу соответствует свой ¡ктр рекомбинационного излучения (РИ). Поэтому исследование РИ :итонов, связанных на водородных дефектах, является эффективным ?одом получения информации о типах связей, которые водород сет образовывать с другими примесными атомами и т.д.

Целью настоящей работы являлось: Исследование температурных зависимостей времен жизни эксито-¡, связанных на изоэлектронных радиационных дефектах в кремнии.

Определение симметрии изоэлектронных водородных центров В80, >и

Исследование свойств экситонов, связанных на изоэлектронных

водородных центрах В80, в]д и В^.

Практическая ценность работы состоит в том, что получении ней результаты могут быть использованы при создании совершен материалов для микроэлектроники.

Научная новизна. Проведенные в работе исследова существенно расширили представления о природе и структ дефектных центров в кремнии. Анализ взаимодействия связан носителей заряда между собой, а также с потенциалом дефект центров позволил объяснить многие оптические свойс изоэлектронных центров в кремнии. Разработанные в диссерта метода анализа рекомбинационного излучения могут б: использованы для исследования различных оптических перехо между мелкими локализованными состояниями носителей, связанн с дном зоны проводимости и потолком валентной зоны.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Исследована фотолюминесценция кристаллического кремк облученного тепловыми нейтронами. У экситонов, связанных изоэлектронных центрах В80, В^ и В^, обнаружены сист

возбужденных состояний. Получены температурные зависимости вре| распада экситонов, связанных на изоэлектронных центрах В0О, В ®71• В26 и вао- Эти зависимоста объяснены тем, что излучатели время жизни экситона в основном состоянии значительно больше, ' каждом из возбужденных состояний. В результате решения уравнв! кинетики определены времена жизни экситонов, связанных на э' центрах, в основном и возбужденных состояниях.

-52. Установлено, что изоэлектронный водородный центр В^ ет точечную группу Сзу. Обнаружено, что основное состояние занного на нем экситона расщеплено на два (дублет) с ргетическим расстоянием между компонентами дублета «ЗОмкэВ, чем переход из состояния имеющего меньшую энергию в дублете ически запрещен. Запрещенное состояние проявляется в спектрах только в магнитном поле. Получены спектры Ш экситонов, занных на центре В^ в магнитных полях и полях деформации, одом инвариантов построен гамильтониан экситонов в магнитном © и поле деформации для центров с симметрией С^у. Предложенная ¡ель позволила объяснить все экспериментальные результаты и «делить g-фaктopы и пьезооптические константы экситона, [занного на центре В^ .

3. Установлено, что изоэлектронные водородные центры В80 и ) имеют точечную группу С1. Обнаружено, что основные состояния 13энных на них экситонов расщеплены на три (триплет) с ¡ргетическим расстоянием между компонентами триплета «ЗОмкэВ, гаем переход из состояния имеющего меньшую энергию в триплете наблюдается в нулевом поле и проявляется на зеемановских жтрахПолучены спектры РИ экситонов, связанных на дефектах ^ и в магнитных полях и полях деформации. Из соображений яметрии построен гамильтониан экситонов в магнитном поле для 1тров с симметрией С1. Предложенная модель позволила объяснить ювные экспериментальные данные, включая запрет оптических заходов экситонов из основного состояния и определить g-фaктopы зитонов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались

на первой национальной конференции "Дефекты в полупроводника (С.-Петербург, 1992).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано д печатные работы список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит : введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общ объем работы - 91 страница, 60 страниц машинописного текста и с рисунок. Список литературы содержат 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлен обзор литературы в которс рассмотрены различные типы изоэлектронных центров полупроводниках, способы их получения, механизма связи носителе на них, результаты ранних, исследований экситонов, связанных к изоэлектронных центрах, обоснована актуальность теш диссертация сформулирована ее цель, описана структура, приведены основнъ выводы работы.

В первой главе дано описание экспериментальных установок методик.

В работе исследовались спектры низкотемпературно фотолюминесценции монокристаллических образцов кремния подвергшихся облучению тепловыми нейтронами с последующи изотермическим отжигом. Облучению нейтронами подвергался материа двух типов. В качестве материала первого типа брался "чистый

емний, выращенный в атмосфере аргона, в качестве материала 'орого типа - кремний, легированный фосфором в концентрации ¡1014 см-3, выращенный в атмосфере водорода методом бестигельной иной плавки.

Для измерений в магнитных полях и полях деформации образцы [резались вдоль кристаллографических направлений <001>, <111> и 10> размером 20x2x2 мм3. Магнитное поле создавалось в ¡ерхпроводящем соленоиде. При снятии зависимостей положения >емановских компонент спектров рекомбинационного излучения (РИ) ; величины магнитного поля, образцы размещались длинной гранью {оль поля, а при получении зависимостей положения линий РИ от травления фиксированного по величине магнитного поля, образцы эащались в плоскости (110) от направления <001> к <110> в знфигурации Фойгта.

Для оптического возбуадения образцов использовалось злучение аргонового лазера. При временных измерениях ^пользовалось излучение полупроводникового лазера. Спектральный зализ выполнялся либо с помощью Фурье-спектрометра САЗ-001, либо помощью интерферометра Фабри-Перо. В качестве приемника злучения в первом случае использовался охлаадаемый 1пСаАз этодиод, во втором - ФЭУ. Спектры, полученные на интерферометре абри-Перо, подвергались математической обработке, что позволяло величить разрешение интерферометра в несколько раз.

Во второй главе представлены результаты исследований условий озникновения изоэлектронных центров В80, в]д, В^, В^, В^, 80' ®4? /1/Г 11 ю®6?1™* распада экситонов, связанных на них. лава состоит из четырех, разделов.

В первом разделе дана общая характеристика спектров РИ

экситонов, связанных на различных центрах в кремни формировавшихся в ходе изотермического отжига. Показано, ч спектры РИ образцов, выращенных в атмосфере водорода, отличают от спектров образцов, выращенных в атмосфере аргона, наличи хорошо выраженных узких линий (полуширина меньше 50 мкэВ) Хд ¿¡д и Х^д 1. Поэтому было сделано предположение о том, что э линии связаны с излучательным распадом экситонов, связанных : дефектах, в состав которых входит водород. Это предположение бы, недавно доказано в /2/ по изотопическому сдвигу линий в образц кремния, в которые вместо водорода вводился дейтерий.

Далее в первом разделе даны результаты экспериментов I отжигу. Показано, что исследовавшиеся в работе дефекты образуют! в довольно узком температурном интервале 350-450°0.

Во втором разделе более подробно рассмотрены спект] образцов, выращенных в атмосфере аргона. На них выделяются хорог известные линии »Т., и <12 /3/, связанные с излучательным, распада экситонов, связанных на одном и том же центре в|0, а так же бол слабые лиши и По зависимости отношения интенсивном* линий и от температуры показано, что их следует отнести экситону, связанному на центре В^, т.к. это отношен;

1 Обозначение В^ относится к центру, а Х^^ к соответствующе линии - РИ, связанного на нем экситона. Если одному цент] соответствует несколько линий, то название берется по основнок состоянию. Цифры у X дают положение линии РИ в спектрг относительно дна экситонной зоны. Например линия х]9 находится I расстоянии 11,9 эВ от дна экситонной зоны.

исывается больцмановской экспонентой ехр(-ЛЕ/КГ), где ДЕ=2,1мэВ впадает с энергетическим расстоянием между этими линиями в ектрах.

В третьем разделе подробно рассмотрены спектры образцов, ращенных в атмосфере водорода. Показано, что рядом с мощными ниями Хд0 и х]9 как с коротковолновой, так и с длинноволновой ороны находятся несколько линий значительно меньшей тенсивности, которые следует отнести к экситонам, связанным на нтрах В80 и в] Данное заключение основано на том, что отношения менаду интенсивностями линий в спектрах не зависят ни 1 режима облучения кристалла нейтронами, ни от температуры жига. Далее, все группы линий имели одинаковые времена таксации (при 4,2К 75 и 45 мксек для В80 и в]5 соответственно) кроме того, при повышении температуры относительная [тенсивность линий, соответствующих возбужденным состояниям ¡ситонов, росла, а при понижении падала.

На основа этих же соображений показано, что система линий Xgg, XgQ и Х^ принадлежит экситону, связанному на центре

"Г

В четвертом разделе рассмотрена кинетика распада экситонов, вязанных на изоэлектронных дефектах Вао, в]9, В^, в|б и в|0.

Экситон, связанный на изоэлектронном центре, содеркит в зоем составе две связанные частицы - электрон и дырку, в отличие с экситонов, связанных на примесях III и V групп в германии и ремнии, содержащих в своем составе три частицы. Поэтому кинетика эспада экситонов, связанных на изоэлектронных дефектах, тределяется относительно медленной излучательной рекомбинацией яектрона и дырки, по сравнению с безызлучательяой Оне-рекомбика-'

цией с участием третьего носителя, характерной для экситоно] связанных на примесях III и V групп.

Все экситоны, исследовавшиеся в данной работе, обладают т< общим свойством, что вероятность излучательной рекомбинащ экситона из основного состояния много меньше, чем из перво! возбужденного. Благодаря этому, время жизни экситонов, связанш на таких центрах, зависит от температуры, т.к. при низга температурах оно определяется временем излучательного распа; экситона из основного состояния, а при высоких, когда заселен ности основного и первого возбужденного состояний выравнивались распад идет, в основном, через первое возбужденное состояние.

На основе уравнения кинетики

8n/8t=2 п£/tf i

где п{- заселенность (-го уровня; п=]> п{; т{- время жизн экситона в i-м состоянии, были получены теоретические зависимом времен жизни связанных экситонов от температуры. Из сравнена экспериментальных и рассчитанных зависимостей были определен времена излучательного распада экситонов из каждого состояния Среди всех центров выделяется центр у которого время жизн связанного экситона при 2К составляет 0,04 сек, что много больш всех известных нам времен жизни связанных экситонов /4/.

В третьей главе подробно рассмотрена структура центров В^ экситонов, связанных на них.

Исследовались спектры Рй связанных экситонов в магнитны полях до 12Т и полях деформации, направленных вдоль кристалло графических осей <001>, <111> и <110>, а также угловы' зависимости ориентационных расщеплений и интенсивностей линий Р; в постоянных магнитных полях. Установлено, что основное состояв»

13энного на центре экситона расщеплено на два СдуОлет) с ¡стоянием между компонентами дуолета ~30мкэВ, причем переход из 1Тояния, имеющего меньшую энергию в дублете, оптически запрещен троявляется только в магнитном поле. Из зеемановских измерений еже следует, что основное состояние связанного экситона имеет эхкратное вырождение, а первое возбужденное - однократное, тчем количество ориентационных компонент в спектрах (1, 2, 2 ? направлений магнитного поля <001 >, <111> и <110> соответ-зенно) говорит о том, что центр В^ принадлежит к тригональному эссу 2 /5/. Однако по количеству ориентационных компонент яьзя определить точечную группу дефекта.

На основе зеемановских измерений была предложена следующая цель связанного экситона. Предполагалось, что центр В^ имеет шетрию СуГ с осью вращения третьего порядка направленной вдоль й <111>. Потенциал дефекта такой симметрии должен расщеплять рочное состояние ¿=3/2 на дублет Г4 и а шестикратно

рожденное состояние электрона на основное Г1 (с учетом спина ) и высоко лежащие возбужденные Г1+2Г3- В этих предположениях аимодействие мевду электроном и дыркой в поле дефекта 4+Г5+Г6^ ,1«Г®=Г1+Г2+ЗГ3 приводит к пятиуровневой схеме состояний язанного экситона. Причем переход Г2 —► Г1 запрещен, что дтверкдает предположение о том, что симметрия центра С^, т.к. груше С3 нет- запрещенных переходов.

Чтобы количественно объяснить эксперименты в магнитных полях полях деформации, методом инвариантов /б/ был построен

К тригональному классу в кремнии относятся группы 03 и С.

гамильтониан экситона, связанного на центре с симметрией полях возмущений:

Н=Н0+Н(В)+Н(огег)

где В- магнитное поле; ,0^- тензор напряжений. Из сравнен] экспериментальных и рассчитанных положений линий РИ в пол возмущений, были определены 8-факторы электрона, дырки пьезооптические константа, входящие в гамильтониан.

Еще одним доказательством того, что симметрия центра В^. С^у, явились угловые зависимости интенсивностей ориентационш компонент основного состояния связанного экситона в постояннс

магнитном поле, которые совпали с рассчитанными. Расчет состоял

А

оценке матричных элементов |<ГП. |й. ||с• где ф{- функцш диагонализущие гамильтониан, для рассматриваемого направлеш магнитного поля, записанные в базисе Г2, Г^; й- оператс дипольного момента. Т.к. переход Г2 —► Г1 запрещен, появляетс зависимость вероятности перехода экситона из основного состояли? которая не может иметь место в случае, если вероятности переходе из каждого состояния, составляющего триплет одинаковы .

На основе этого был предложен метод определения точечне группы изоэлектронных центров в пределах тригонального класса (С или Сзу) по качественному виду угловых зависимосте интенсивностей ориентационных компонент основного состояли экситона в магнитном поле.

В четвертой главе подробно рассмотрена структура центров Ва и в]д и экситонов, связанных на них.

Что, по-видимому, имеет место для центра 12 /3/.

Исследовались спектры РИ связанных экситонов в магнитных лях до 12Т и полях деформации, направленных вдоль исталлографических осей <001>, <111> и <110>, а также угловые висимости ориентационных расщеплений линий РИ в постоянных гнитных полях. Установлено, что основное состояние связанных ситонов расщеплено на три (триплет) с расстоянием между шонентами триплета ~30мкэВ, причем переход из состояния, эющего меньшую энергию в триплете не наблюдается в спектрах левого поля и проявляется только в магнитных полях. Количество яентационных компонент, на которые расщепляются линии Хд0 и и одноосном сжатии вдоль направлений <001>, <111> и <110> (3, 4 б соответственно) однозначно говорит о том, что точечная группа оих центров 01 /5/, т.е. единственной операцией переводящей нтр в самого себя является тождественное преобразование.

Чтобы объяснить результаты экспериментов в магнитных полях, рассматривали электрон в базисе a;ß=|1/2;±1/2>, а дырку "в ионическом базисе |3/2;+3/2>;|3/2;±1/2>. Состояния зкситона осматривались либо в базисе |3/2;±3/2>а, |3/2;±3/2>ß, /2;±1/2>а, |3/2;±1/2>ß, либо в базисе |2;±2>, |2;±1>, |2;0>, ;±1>, |1;0>. Первый базис удобен при написании гамильтониана, а орой - при интерпретации результатов. Кроме того, он объясняет зличную интенсивность линий РИ связанных экситонов в спектрах м, что оптически активными состояниями являются только стояния с полным моментом 1.

Для количественного описания результатов экспериментов в гнитных полях использование метода инвариантов /б/ труднительно, т.к. в группе С1 количество констант, подлежащих спериментальному определению, уже для гамильтониана нулевого

поля равно тридцати шести. Поэтому для построения гамильтони мы воспользовались процедурой, описанной в /7/, которая позвол построить приближенный гамильтониан, объясняющий основ: экспериментальные результаты и зависящий от значительно мены» количества констант:

Н=Н0+Н(В)

где матрица гамильтониана Н0, описывающая расщепление восы кратно вырожденного экситонного терма в нулевом по. представлялась в виде суммы двух матриц: матрицы, описываю взаимодействие дырки с потенциалом дефекта, и матря описывающей в сферическом приближении электрон-дырочное взаи действие. Матрица магнитного поля Н(В) также записывалась в в; суммы двух матриц: электронной и дырочной. Главные оси д-тензо; и тензора потенциала дефекта не обязательно совпадают с ос: дефекта и наряду с другими константами, входящими в гамильтони: бпределялись из сравнения расчетов с экспериментом. При оказалось, что главные оси центров В80 и в]9 практиче> совпадают. Этот факт, а также то, что эти дефекты не удава л наблюдають по отдельности может говорить о том, что их структ; близка.

В заключении перечислены основные результаты, полученные диссертации.

1. Создана установка для исследования времен релаксаз фотолюминесценции с временным разрешением «ЮОнсек и получен спектров с заданной задержкой относительно возбуждающ' импульса. Использование специальной программы обрабо1 экспериментальных результатов позволяло частично устран искажения, вносимые спектрометром и значительно повысить I

«тральное разрешение.

2. Исследована фотолюминесценция кристаллического кремния, ¡ученного тепловыми нейтронами. У экситонов, связанных на ¡электронных центрах В80, в]д, В^ и Bg6, обнаружены системы 5бувденных состояний. Получены температурные зависимости времен ;пэда экситонов, связанных на изоэлектронных центрах В80, в]д,

I, Bgg и BgQ. Эти зависимости объяснены тем, что излучательное ;мя жизни экситона в основном состоянии значительно больше, чем возбужденных состояниях. В результате решения уравнений isтики определены времена аизни экситонов в основном и збузденных состояниях.

3. В результате исследования фотолюминесценции экситонов, 53энных на изоэлектронных водородных центрах В^, было гановлено, что данный дефект имеет точечную группу С3у. эюрукено, что основное состояние связанного на нем экситона зщеилено на два (дублет) с энергетическим расстоянием между ли около ЗОмкэВ, причем переход из состояния имеющего меньшую зргию в дублете оптически запрещен. Запрещенное состояние эявляется в спектрах РИ только в магнитном поле. Получены зктры FM экситонов, связанных на центре В^ в магнитных полях и лях деформации. Методом инвариантов построен гамильтониан ситонов в магнитном поле и поле деформации для центров с «метрией Предложенная модель позволила объяснить все спериментальные результаты и определить g-факторы и езооптические константы экситона, связанного на дефекте В^. казано, что каадой точечной группе соответствуют свои угловые аграммы расщепления основного состояния в постоянном магнитном ле и интенсивностей этих линий. На основе этого предложен

спосоО определения . точечной группы дефекта в предео тригонального класса или С3) из топологического вида утло! диаграмм.

4. В результате исследования фотолюминесценции экситонс связанных на изоэлектронных водородных центрах Вао и в]д Он установлено, что данные дефекты имеют точечную группу С Обнаружено, что основное состояние связанного экситона расщепле на три (триплет) с энергетическим расстоянием мевду ними оке ЗОмкэВ, причем переход из состояния имеющего меньшую энергию триплете не наблюдается в спектрах нулевого поля и проявляется зеемановских спектрах. Получены спектры РИ экситонов, связанн на центрах Bgo и в]д в магнитных полях и полях деформации, соображений симметрии построен гамильтониан экситонов в магнитн поле для дефектов с симметрией С1. Предложенная модель позволи объяснить основные экспериментальные данные, включая запр оптических переходов экситонов из основного состояния определить g-факторы экситонов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Каминский A.C., Сафонов А.Н., Лавров Э.В. Кинетика распа, экситонов, связанных на изоэлектронных ловушках в кремни: облученном нейтронами // ФГТ. - 1991 - Т.33 - С.859.

2. Каминский A.C., Лавров D.B. Тонкая структура спектр* рекомбинационного излучения экситонов, связанных i изоэлектронных дефектах в кремнии // Первая националы!! конференция "Дефекты в полупроводниках". С.-Петербург. - 1992. Тезисы - С.174.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Каминский А.С., Лейферов Б.М., Сафонов А.Н. Экситоны, язанные на дефектных комплексах в кремнии // ФГТ. - 1987 - Т.29 3.961-970.

Saionoy A.N., Lightowlera Е.С. Hydrogen Related Optical iters In Radiation Damaged Silicon // Proceedings of 17th ICDC, ЭЗ, P.903.

Sauer R., Weber J. Photolumineacence Characterisation of Deep recta in Silicon // Physica B&C. - 1983 - V.116 - P.195-209.

Каминский А.С., Сафонов А.Н., Лавров Э.В. Кинетика распада зитонов, связанных на изоэлектронных ловушках в кремнии, лученном нейтронами // ФГТ. - 1991 - Т.33 - С.859. Каплянский А.А. Некубические центры в кубических кристаллах и пьезоспектроскопическое исследование // Опт. и спектроск. 1964 Г.16 - С.602.

Бир Г.Е., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные дефекты в пупроводниках. М.: Наука. 1972.

Gil В., Camassel J., Merle P., Methleu H. J-J Coupling and за1 Field Effects on N-N Pair Spectra In GaP // Phys. Rev. -32 - V.B25 - P.3987.

Подписано в печать 10.03.1994г.

Формат 60x84/16. Объем 1,16 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зах.36