Тонкая структура спектров рекомбинационного излучения экситонов, связанных на изоэлектронных центрах 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

ЛАВРОВ Эдуард Владимирович

ТОНКАЯ СТРУКТУРА СПЕКТРОВ РЕКОМБИНАШОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСИТОНОВ, СВЯЗАННЫХ НА ИЗОЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕНТРАХ В КРЕМНИИ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1Э94

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 Т.Ы.Лифшиц

доктор физико-математических наук Н.С.Аверкиев

Ведущая организация:

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

Защита диссертации состоится 13 мая 1994 г. в 1200 часов на заседании Специализированного совета Д002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, Москва, Моховая 11.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан "Ж." 1994 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета Д 002.74.01. доктор физико-математических наук \\

С.Н.Артеменко

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время резко возрос интерес к лиянию примеси водорода на свойства полупроводниковых атериалов. Это связано с тем, что введение водорода в ряде лучаев позволяет значительно улучшить качество материала либо за зет нейтрализации "вредного" влияния дефектов всегда рисутствущих в кристаллах, либо за счет возникновения новых полезных" дефектов. Наиболее полно исследовано влияние водорода а свойства германия. В случае кремния эти исследования только зйчас получают должное внимание.

Эффективными методами исследования, позволяющими с высокой эчностью определять структуру энергетических состояний дефектных эмплексов (в том числе содержащих в своем составе водород) вляются спектроскопические измерения, в том числе фотолтаи-зсценция, возникающая при рекомбинации связанных на центре лектрона и дырки. При этом каждому комплексу соответствует свой пектр рекомбинационного излучения (РИ). Поэтому исследование РИ кситонов, связанных на водородных дефектах, является эффективным этодом получения информации о типах связей, которые водород эжет образовывать с другими примесными атомами и т.д.

Целью настоящей работы являлось:

. Исследование температурных зависимостей времен жизни эксито-

эв, связанных на изоэлектронных радиационных дефектах в кремнии.

. Определение симметрии изоэлектронных водородных центров В80,

1 и в1 19 71"

. Исследование свойств экситонов, связанных на изоэлектронных

водородных центрах В80, в}д и .

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

Научная новизна. Проведенные в работе исследован! существенно расширили представления о природе и структу] дефектных центров в кремнии. Анализ взаимодействия связаны носителей заряда мевду собой, а также с потенциалом дефекты центров позволил объяснить многие оптические свойст] изоэлектронных центров в кремнии. Разработанные в диссерташ методы анализа рекомбинационного излучения могут бы: использованы для исследования различных оптических переходе между мелкими локализованными состояниями носителей, связанны* с дном зоны проводимости и потолком валентной зоны.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Исследована фотолюминесценция кристаллического кремни? облученного тепловыми нейтронами. У экситонов, связанных I изоэлектронных центрах В80, в]д, В^ и в|6, обнаружены систек возбужденных состояний. Получены температурные зависимости време распада экситонов, связанных на изоэлектронных центрах В80, в]с в|1, В^ и Вд0. Эти зависимости объяснены тем, что излучательнс время жизни экситона в основном состоянии значительно больше, че каждом из возбужденных состояний. В результате решения уравнен! кинетики определена времена жизни экситонов, связанных на эст центрах, в основном и возбужденных состояниях. I

-52. Установлено, что изоэлектронный водородный центр В^ юет точечную группу Сзу. Обнаружено, что основное состояние ¡язанного на нем экситона расщеплено на два (дублет) с юргетическим расстоянием между компонентами дублета <*30мкэВ, жчем переход из состояния имеющего меньшую энергию в дублете ггически запрещен. Запрещенное состояние проявляется в спектрах I только в магнитном поле. Получены спектры РИ экситонов, зязанных на центре В^ в магнитных полях и полях деформации. )тодом инвариантов построен гамильтониан экситонов в магнитном >ле и поле деформации для центров с симметрией С3?. Предложенная эдель позволила объяснить все экспериментальные результаты и 1ределить 8-факторы и пьезооптические константы экситона, зязанного на центре В^.

3. Установлено, что изоэлектронные водородные центры Вдо и ]д имеют точечную группу С1. Обнаружено, что основные состояния зязанных на них экситонов расщеплены на три (триплет) с аергетическим расстоянием между компонентами триплета "ЗОмкэВ, ричем переход из состояния имеющего меньшую энергию в триплете э наблюдается в нулевом поле и проявляется на зеемановских пектрах.- Получены спектры РЦ экситонов, связанных на дефектах ю и в|5 в магнитных полях и полях деформации. Из соображений имметрии построен гамильтониан экситонов в магнитном поле для ентров с симметрией 01. Предложенная модель позволила объяснить сновные экспериментальные данные, включая запрет оптических ереходов экситонов из основного состояния и определить g-фaктopы кситонов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит иг введения, четырех глав, заключения и списка литературы. ОбщиЯ объем работы - 91 страница, 60 страниц машинописного текста и 31 рисунок. Список литературы содержит 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлен обзор литературы в котором рассмотрены различные типы изоэлектронных центров в полупроводниках, способы их получения, механизмы связи носителей на них, результаты ранних исследований экситонов, связанных на изоэлектронных центрах, обоснована актуальность теш диссертации, сформулирована ее цель, описана структура, приведены основные вывода работы.

В первой главе дано описание экспериментальных установок и методик.

В работе исследовались спектры низкотемпературной фотолюминесценции монокристаллических образцов кремния, подвергшихся облучению тепловыми нейтронами с последующим изотермическим отжигом. Облучению нейтронами подвергался материал двух типов. В качестве материала первого типа брался "чистый"

сремний, выращенный в атмосфере аргона, в качестве материала второго типа - кремний, легированный фосфором в концентрации >*1014 см-3, выращенный в атмосфере водорода методом бестигельной зонной плавки.

Для измерений в магнитных поляг и полях деформации образцы вырезались вдоль кристаллографических направлений <001>, <111> и С110> размером 20x2x2 мм3. Магнитное поле создавалось в сверхпроводящем соленоиде. При снятии зависимостей положения зеемановских компонент спектров рекомбинационного излучения (РИ) эт величины магнитного поля, образцы размещались длинной гранью здоль поля, а при получении зависимостей положения линий РИ от направления фиксированного по величине магнитного поля, образцы вращались в плоскости (1Т0) от направления <001> к <110> в конфигурации Фойгта.

Для оптического возбуждения образцов использовалось излучение аргонового лазера. При временных измерениях использовалось излучение полупроводникового лазера. Спектральный анализ выполнялся либо с помощью Фурье-спектрометра ВАЗ-001, либо с помощью интерферометра Фабри-Перо. В качестве приемника излучения в первом случае использовался охлаждаемый 1пСаАз фотодиод, во втором - ФЭУ. Спектры, полученные на интерферометре Фабри-Перо, подвергались математической обработке, что позволяло увеличить разрешение интерферометра в несколько раз.

Во второй главе представлены результаты исследований условий возникновения изоэлектронных центров В80, в]9, В^, В^, В^, Вд0, В3? /1/ и кинетики распада экситонов, связанных на них. Глава состоит из четырех.разделов.

3 пергом разделе дана общая характеристика спектров РИ

экситонов, связанных на различных центрах в кремнии

формировавшихся в ходе изотерического отжига. Показано, чт<

спектры РИ образцов, выращенных в атмосфере водорода, отличают«

от спектров образцов, выращенных в атмосфере аргона, наличие!

хорошо выраженных узких линий (полуширина меньше 50 мкэВ) Хд0 1 11

и Х£д Поэтому было сделано предположение о том, что эй линии связаны с излучательным распадом экситонов, связанных н; дефектах, в состав которых входит водород. Это предположение былс недавно доказано в /2/ по изотопическому сдвигу линий в образца: кремния, в которые вместо водорода вводился дейтерий.

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

Во втором разделе более подробно рассмотрены спектрь образцов, выращенных в атмосфере аргона. На них выделяются хорошс известные линии ^ и <12 /3/, связанные с излучательным, распадок экситонов, связанных на одном и том же центре Вд0, а так же более слабые линии Хд5 и По зависимости отношения интенсивносте! линий и х£6 от температуры показано, что их следует отнести I экситону, связанному на центре В^, т.к. это отношение

11 1

Обозначение В^ относится к центру, а Х^- к соответствующе?

линии - РИ, связанного на нем экситона. Если одному центр}

соответствует несколько линий, то название берется по основном}

состоянию. Цифры у X дают положение линии РИ в спектраг

относительно дна экситонной зоны. Например линия Х,0 находится не

I

расстоянии 11,9 эВ от дна экситонной зоны.

шсывается большановской энспонентой ехр(-ДЕ/КГ), где ДЕ=2,1мэВ овпадает с энергетическим расстоянием между этими линиями в пектрах.

В третьем разделе подробно рассмотрены спектры образцов, ыращенных в атмосфере водорода. Показано, что рядом с мощными иниями XgQ и х]9 как с коротковолновой, так и с длинноволновой тороны находятся несколько . линий значительно меньшей нтенсивности, которые следует отнести к экситонам, связанным на ентрах В80 и в]д. Данное заключение основано на том, что оотношения между интенсивностями линий в спектрах не зависят ни г режима облучения кристалла нейтронами, ни от температуры гжига. Далее, все группы линий имели одинаковые времена злаксации (при 4.2К 75 и 45 мксек для Вао и в]5 соответственно) , кроме того, при повышении температуры относительная ятенсивность линий, соответствующих возбужденным состояниям кситонов, росла, а при понижении падала.

На основе этих же соображений показано, что система линий

^, Xg8, XgQ и принадлежит экситону, связанному на центре I

п-

В четвертом разделе рассмотрена кинетика распада экситонов, зязанных на изоэлектронных дефектах В80, в]9, В^, и Вд0.

Экситон, связанный на изоэлектронном центре, содержит в зоем составе две связанные частицы - электрон и дарку, в отличие р экситонов, связанных на примесях III и V групп в германии и земнии, содержащих в своем составе три частицы. Поэтому кинетика юпада экситонов, связанных на изоэлектронных дефектах, гределяется относительно медленной излучательной рекомбинацией юктрона и дырки, по сравнению с безызлучательной Оже-рекомбика-"

шей с участием третьего носителя, характерной для экситонов, связанных на примесях III и V групп.

Все экситонн, исследовавшиеся в данной работе, обладают те( общим свойством, что вероятность излучательной рекомбинации экситона из основного состояния много меньше, чем из первой возбужденного. Благодаря этому, время жизни экситонов, связанны: на таких центрах, зависит от температуры, т.к. при низки: температурах оно определяется временем излучательного распад; экситона из основного состояния, а при высоких, когда заселенности основного и первого возбужденного состояний выравнивались распад идет, в основном, через первое возбужденное состояние.

На основе уравнения кинетики

I

где п^- заселенность {-го уровня; п=£ п{; время жизн

экситона в (-м состоянии, были получены теоретические зависимост; времен жизни связанных экситонов от температуры. Из сравнени. экспериментальных и рассчитанных зависимостей были определен времена излучательного распада экситонов из каждого состояния Среди всех центров выделяется центр в£6 у которого время жизн связанного экситона при 2К составляет 0,04 сек, что много Оольш всех известных нам времен жизни связанных экситонов /4/.

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

Исследовались спектры РИ 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 состояни

занного на центре экситона расщеплено на два Сдубле.т) с стоянием между компонентами дублета ~30мкэВ, причем переход из тояния, имещего меньшую энергию в дублете, оптически запрещен роявляется только в магнитном поле. Из зеемановских измерений же следует, что основное состояние связанного экситона имеет хкратное вырождение, а первое возбужденное - однократное, чем количество ориентационных компонент в спектрах (1, 2, 2 направлений магнитного поля <001>, <111> и <110> соответ-енно) говорит о том, что центр В^ принадлежит к тригональному ссу /5/. Однако по количеству ориентационных компонент ьзя определить точечную грушу дефекта.

На основе зеемановских измерений была предложена следующая ель связанного экситона. Предполагалось, что центр В^ имеет метрию Сзу с осью вращения третьего порядка направленной вдоль : <111>. Потенциал дефекта такой симметрии должен расщеплять очное состояние ^/2 на дублет Г4 и Г5+Гб, а шестикратно овденное состояние электрона на основное Г., (с учетом спина и высоко лежащие возбужденные Г1+2Г3. В этих предположениях имодействие между электроном и дыркой в поле дефекта +-Г5+Гб}1г»Г®=Г1 +Г2-ьЗГ3 приводит к пятиуровневой схеме состояний [занного экситона. Причем переход Г2 —► Г1 запрещен, что (тверждает предположение о том, что симметрия центра С^у, т.к. ■руппе 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 С3 и С.

гамильтониан экситона, связанного на центре с симметрией Сзу, полях возмущений:

Н=Н0+Н(В)+Н(ой1) где В- магнитное поле; ,ойг- тензор напряжений. Из сравнен экспериментальных и рассчитанных положений линий РИ в пол возмущений, были определены б-факторы электрона, дырки пъезооптические константы, входящие в гамильтониан.

Еще одним доказательством того, что симметрия центра Ву. С37, явились угловые зависимости интенсивностей ориентационш компонент основного состояния связанного экситона в постоян»

магнитном поле, которые совпали с рассчитанными. Расчет состоял

А

оценке матричных элементов |<Г^ где функцш

диагонализуюцие гамильтониан, для рассматриваемого направлен! магнитного поля, записанные в базисе Г£, Г^; 1- операт( дипольного момента. Т.к. переход Г2 —► Г1 запрещен, появляет! зависимость вероятности перехода экситона из основного состояню 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 (( или Сзу) по качественному виду угловых зависимост« интенсивностей ориентационных компонент основного состоят экситона в магнитном поле.

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

Что, по-видимому, имеет место для центра 1? /3/.

Исслвдовались спектры РИ связанных экситонов в магнитных олях до 12Т и полях деформации, направленных вдоль ристаллографических осей <001>, <111> и <110>, а также угловые ависимости ориентационных расщеплений линий РИ в постоянных агнитных полях. Установлено, что основное состояние связанных кситонов расщеплено на три (триплет) с расстоянием между омпонентами триплета ~30мкэВ, причем переход из состояния, мекщего меньшую энергию в триплете не наблюдается в спектрах улевого поля и проявляется только в магнитных полях. Количество риентационных компонент, на которые расщепляются линии Хд0 и х]д ■ ри одноосном сжатии вдоль направлений <001>, <111> и <110> (3, 4 ; б соответственно) однозначно говорит о том, что точечная группа боих центров С1 /5/, т.е. единственной операцией переводящей ,ентр в самого себя является тождественное преобразование.

Чтобы объяснить результаты экспериментов в магнитных полях, ы рассматривали электрон в базисе а;(3=|1/2;±1/2>, а дырку в :аноническом базисе |3/2;±3/2>;|3/2;±1/2>. Состояния экситона досматривались либо в базисе |3/2;±3/2>а, |3/2;±3/2>(3, 3/2;±1/2>а, |3/2;±1/2>р, либо в базисе |2;±2>, |2;±1>, |2;0>, 1;±1>, |1;0>. Первый базис удобен при написании гамильтониана, а ¡торой - при интерпретации результатов. Кроме того, он объясняет щзличную интенсивность линий РИ связанных экситонов в спектрах 'ем, что оптически активным состояниями являются только ^стояния с полным моментом 1.

Для количественного описания результатов экспериментов в гагнитных полях использование метода инвариантов /б/ ■атруднительно, т.к. в груше С1 количество констант, подлежащих ксперкментальному определению, уже для гамильтониана нулевого

поля равно тридцати шести. Поэтому для построения гамильтониш мы воспользовались процедурой, описанной в /7/, которая позволя* построить приближенный гамильтониан, объясняющий основш экспериментальные результаты и зависящий от значительно меньше] количества констант:

Н=Н0+Н(В)

где матрица гамильтониана Н0, описывающая расщепление восью кратно вырожденного экситонного терма в нулевом поле представлялась в виде суммы двух матриц: матрицы, описывающе взаимодействие дырки с потенциалом дефекта, и матриць описывающей в сферическом приближении электрон-дырочное взаимс действие. Матрица магнитного шля Н(В) также записывалась в ввд суммы двух матриц: электронной и дырочной. Главные оси g-твнзopc и тензора потенциала дефекта не обязательно совпадают с ост, дефекта и.наряду с другими константами, входящими в гамильтониа! определялись из сравнения расчетов с экспериментом. Приче оказалось, что главные оси центров В80 и практичеи

совпадают. Этот факт, а также то, что эти дефекты не удавалос наблюдають по отдельности может говорить о том, что их структу] близка.

В заключении перечислены основные результаты, полученные диссертации.

1. Создана установка для исследования времен релакеащ фотолюминесценции с временным разрешением <*100нсек и полученж спектров с заданной задержкой относительно возбуждающе! импульса. Использование специальной программы обрабои экспериментальных результатов позволяло частично устраню искажения, вносимые спектрометром и значительно повысить ез]

гектральное разрешение.

2. Исследована фоголшинесценция кристаллического кремния, 5лученного тепловыми нейтронами. У экситонов, связанных на юэлектронных центрах Вдо, В^ и В^, обнаружены системы >збузденннх состояний. Получены температурные зависимости времен юпада экситонов, связанных на изоэлектронных центрах Вдо, в]д, .., , В^б и Вд0. Эти зависимости объяснена тем, что нзлучательное ©мя жизни экситона в основном состоянии значительно больше, чем

возбужденных состояниях. В результате решения уравнений нетики определены времена жизни экситонов в основном и збувденннх состояниях.

3. В результате исследования фотолюминесценции экситонов, язанных на изоэлектронных водородных центрах В^, было тановлено, что данный дефект имеет точечную группу С37. наружено, что основное состояние связанного на нем экситона сщеплено на два (дублет) с энергетическим расстоянием мезду ми около ЗОмкэВ, причем переход из состояния имеющего меньшую зргию в дублете оптически запрещен. Запрещенное состояние эявлявтся в спектрах РИ только в магнитном поле. Получены зктры РИ экситонов, связанных на центре В^ в магнитных шлях и пях деформации. Методом инвариантов построен гамильтониан :итонов в магнитном поле и поле деформации для центров с дметрией СПредложенная модель позволила объяснить все зпериментальные результаты и определить 5-факторы и ¡зооптические константы экситона, связанного на дефекте В^. сазано, что каждой точечной группе соответствуют свои угловые ¡граммы расщепления основного состояния в постоянном магнитном ю и интенсивностей этих линий. На основе этого предложен

способ определения точечной группы дефекта в предела тригонального класса (С^у или С3) из топологического вида угловы диаграмм.

А. В результате исследования фотолюминесценции экситонов связанных на изоэлектронных водородных центрах Вао и в]9 был установлено, что данные дефекты имеют точечную группу С1 Обнаружено, что основное состояние связанного экситона расщеплет на три (триплет) с энергетическим расстоянием мевду ними око: ЗОмкэВ, причем переход из состояния имеющего меньшую энергию триплете не наблюдается в спектрах нулевого поля и проявляется зеемановских спектрах. Получены спектры РИ экситонов, связаннь на центрах В80 и в]9 в магнитных полях и полях деформации. I соображений симметрии построен гамильтониан экситонов в магнитнс поле для дефектов с симметрией С1. Предложенная модель позволш объяснить основные экспериментальные данные, включая запрс оптических переходов экситонов из основного состояния определить е-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 // ФТТ. - 1991 - Т.33 - С.859.

2. Каминский A.C., Лавров О.В. Тонкая структура спектр рекомбинационного излучения экситонов, связанных изоэлектронных дефектах в кремнии // Первая национальн конференция "Дефекты в полупроводниках". С.-Петербург. - 1992. Тезисы - С.174.

-IT-

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ . Каминский A.C., Лейферов Б.Ы., Сафонов А.Н. Экситоны, вязанные на дефектных комплексах в кремнии // ФТТ. - 1987 - Т.29 С.961-970.

. Safonov A.N., Llghtowlers Е.С. Hydrogen Related Optical snters In Radiation Damaged Silicon // Proceedings of 17th ICDC, Э93, P.903.

. Sauer R., Weber J. Photoluminescence Characterisation of Deep 5iect3 in Silicon // Phyaica B&C. - 1983 - V.116 - P.195-209. . Каминский A.C., Сафонов A.H., Лавров Э.В. Кинетика распада сситонов, связанных на изоэлектронных ловушках в кремнии, ¡лученном нейтронами // ФТТ. - 1991 - Т.33 - С.859.

Каплянский A.A. Некубические центры в кубических кристаллах и . пьезоспектроскопическое исследование // Опт. и спектроск. 1964 Т.16 - С.602.

Вир Г.Е., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные дефекты в лупроводшпеах. М.: Наука. 1972.

G11 В., Сатаззе1 J., Merle P., Methieu Н. J-J Coupling and cal Field Effects on N-N Pair Spectra in GaP // Phys. Rev. -82 - 7.B25 - P.3987.

Подписано в печать 10.03,1994г.

Формат 60x84/16. Объем 1,16 усл.п.л. Тираж ЮО экз. Ротапринт ИРЭ РАН. 3ак.36