А. Д. КИРЮХИН, А. В. ЗУЕВ, В. В. ЗУЕВ, Н. А. КОРОЛЁВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ФОРМЫ СИГНАЛОВ ФОТОПРОВОДИМОСТИ КРЕМНИЯ
ЛЕГИРОВАННОГО ЗОЛОТОМ ИЛИ СЕРОЙ
Представлены экспериментальные результаты по виду кривых нестационарной фотопроводимости кремния, легированного золотом или серой. На образцах перекомпенсированного кремния с серой наблюдается долговременная фотопроводимость с постоянной времени ~ 1,6 мс при комнатной температуре.
Дефекты, обладающие энергетическими уровнями в глубине запрещенной зоны полупроводника, сильно влияют на электрофизические параметры материала, в частности, на протекание процессов рекомбинации неравновесных носителей, возбужденных внешним источником ИК-излучения.
Легирование золотом при 900, 950°C после термообработки (ТО) при 900, 950, 1000°C электронного кремния приводит к связыванию части электронов из зоны проводимости, то есть увеличению удельного сопротивления, удержанию пониженного времени релаксации фотопроводимости, образующегося на этапе ТО. При комнатной температуре форма сигнала фотопроводимости, индуцированной глубоко проникающим в кремний излучением с l = 1,07 мкм полупроводникового лазера, симметричная по процессам нарастания и спада, идущими с одинаковыми постоянными времени, величины которых на уровне микросекунд, определяемых в микроволновом поле по изменению со временем величины отраженного от образца сигнала [1].
Дырочный кремний (КДБ 7,8 с концентрацией атомов бора и дырок na » p @ 1,6 × 1015 см-3) легированный серой при (1100°C) в кварцевых откачанных ампулах в течение 17 ч с последующей закалкой в масле, превратился в электронный с удельным сопротивлением ~ 64 Ом × см (концентрация электронов n @ 6,7 × 1013 см-3 и положением уровня Ферми F = 0,34 эВ). Концентрация серы при энергиях залегания донорных состояний EC-0,18 эВ и EC-0,37 эВ, NS ~ (3/2) × na = 2,4 × 1015 см-3. Если из-за происходящей при этом термообработки в центре запрещенной зоны образовался ещё акцепторный уровень с энергией ниже 0,37 эВ, то концентрация серы может быть еще больше. Возникновение таких уровней фиксируется по изменению времени релаксации ФП после ТО. После перекомпенсации изменилась форма сигнала фотопроводимости: на нарастающем участке ФП появился линейный участок, сменяющийся более плавным нелинейным нарастанием, на спадающем – резкий спад после выключения излучения, небольшой по величине, и последующий медленный спад. Оцифровка кривой спада с применением современной записывающей аппаратуры и её анализ показали, что с очень хорошей точностью медленная составляющая сигнала описывается временной экспонентой с t ~ 1,6 мс. При уменьшении длительности импульса излучения, так чтобы остался лишь линейный участок нарастания ФП, долговременная составляющая на спаде ФП сохранялась, то есть на начальном участке нарастания происходит формирование условий для долговременной ФП. Постоянная подсветка с l = 1,15 мкм от He-Ne лазера уменьшала величину сигнала на всех участках сигнала ФП, кроме участка начального нарастания. Это обстоятельство хорошо согласуется с правилом уменьшения времени жизни прилипающих носителей, а начальный участок не зависит от этого времени.
Отмеченные особенности формы кривых ФП наблюдались как на толстых образцах ~ 1,64 мм, так и на тонких 0,5 мм, полученных в свое время от из ФТИ им. . Так что явление сугубо объемное.
Изменение типа проводимости (перекомпенсация), в случае легирования серой, происходит из-за того, что сера имеет донорные уровни в верхней части запрещенной зоны кремния: часть электронов ушла с них на атомы бора, оставив атомы серы в положительно заряженном состоянии [2], захват электрона на которые происходит с большой вероятностью из-за притяжения, а захват дырки возможен только на состояние S+ с превращением его в S+2. Но этот процесс происходит в условиях зарядового отталкивания, так что его вероятность невелика. Таким образом, неравновесные дырки, скорее всего, захватятся на центры рекомбинации, а электроны будут быстро захватываться и выбрасываться с уровней серы, удерживая в зоне проводимости повышенную концентрацию, и лишь малая часть их будет успевать прорекомбинировать на центрах рекомбинации с неравновесными дырками. Результат объясняется с использованием классической модели [3], в отличие от объяснения в [2], годном для низкой температуры. Быстрый перезахват электрона и быстрый захват дырки препятствуют выносу электронов и дырок на поверхность с исчезновением их за счет поверхностной рекомбинации. Поэтому процесс при однородной генерации носителей внешним излучением остается объемным даже для тонких образцов.
Таким образом, при перекомпенсации полупроводникового материала примесями с глубокими энергетическими уровнями создаются наиболее благоприятные условия для проявления уровней прилипания в форме сигнала ФП при комнатной температуре из-за соотношения знака зарядов примеси и свободных носителей, степени заполнения и наличия глубоких по энергии рекомбинационных центров, возникающих из-за параллельно с диффузией происходящей высокотемпературной термообработкой материала кремния. Более того, наличие сигнала с долговременной составляющей ФП может рассматриваться как необходимое условие для утверждения, что материал получен перекомпенсацией за счет введения соответствующей примеси с глубокими энергетическими состояниями.
Список литературы
1. , , и др Изменение состояний примесей и соответствующих силовых полей в Si после высокотемпературных циклических отжигов ЖЭТФ. Т.124. В.5. С.1090–11
2. , , Султанов диодов с S-образным отрицательным сопротивлением на основе кремния, легированного серой ФТП. Т.5. №1. С.22–
3. Рывкин явления в полупроводниках ГИФМЛ. М. 1963. С.175.
