Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии

Исследованы высокоомные образцы p-Si (p₀₀=(1,63…7,09)·10¹¹ см⁻³), выращенные методом бестигельной зонной плавки, после облучения быстрыми нейтронами реактора при 320 К. Определены энергетические уровни дивакансии в германии в трех зарядовых состояниях в зависимости от её конфигурации в кремнии. Расс...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автор:	Долголенко, А.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2013
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111417
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии / А.П. Долголенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 5. — С. 37-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111417
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1114172017-01-10T03:05:22Z Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии Долголенко, А.П. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Исследованы высокоомные образцы p-Si (p₀₀=(1,63…7,09)·10¹¹ см⁻³), выращенные методом бестигельной зонной плавки, после облучения быстрыми нейтронами реактора при 320 К. Определены энергетические уровни дивакансии в германии в трех зарядовых состояниях в зависимости от её конфигурации в кремнии. Рассмотрены эксперименты, которые можно объяснить как конфигурационные переходы дивакансии с большей дисторсии в меньшую и наоборот в кремнии и германии. Приведены значения энергетических уровней дивакансии в кремнии и германии в разных конфигурациях. Показано, что у радиационных дефектов в Ge отсутствуют донорные уровни, а энергия Hubbard у дефектов такая же, как и в Si. Уровень дивакансии V₂(−/0) в Q1-конфигурации Ev+0,085 эВ определяет концентрацию дырок в валентной зоне p-Ge 2,2·10¹⁷ см⁻³ и положение уровня Ферми Ev+0,125 эВ в кластерах дефектов, созданных быстрыми нейтронами в Ge. Концентрация дефектов ~2·10¹⁸ см⁻³ в кластерах образует примесную зону около валентной зоны шириной 0,08 эВ. Досліджені високоомні зразки p-Si (p₀₀ = (1,63…7,09)·10¹¹ см⁻³), вирощені методом безтигельної зонної плавки, після опромінення швидкими нейтронами реактора при 320 К до і після ізохронного відпалу. Визначено у германії енергетичні рівні дивакансії в трьох зарядових станах у залежності від її конфігурації в кремнії і приведено значення енергетичних рівнів дивакансії та Е-центра. Показано, що в радіаційних дефектах у Ge немає донорних рівнів, а енергія Hubbard у дефектів така ж, як і в Si. Рівень дивакансії V₂(−/0) у Q1-конфігурації Ev+0,085 еВ визначає концентрацію дірок у валентній зоні p-Ge 2,2·1017 см-3 і положення рівня Фермі Ev+0,125 еВ у кластерах дефектів, створених швидкими нейтронами в Ge. Концентрація дефектів ~ 2·10¹⁷ см⁻³ у кластерах утворює домішкову зону біля валентної зони шириною 0,08 эВ. High-resistance samples p-Si (p₀₀ = (1.63…7.09)·10¹¹ cm⁻³), grown by the floating zone melting after irradiation with fast neutron reactor at 320 K after isochronal annealing were studied. The energy levels in germanium of a divacancy in three charge states, depending on its configuration in silicon are determined. The values of the energy levels of divacancies and E-center are resulted. Shows that radiation defects in Ge no donor levels and Hubbard energy have the same defects as in Si. Divacancy (V₂) level (-/0) Ev + 0.085 eV in Q1-configuration determines the concentration of holes in the valence band p-Ge 2.2·10¹⁷ cm⁻³ and the position of the Fermi level Ev+0.125 eV in clusters of defects produced by fast neutron in Ge. The concentration of defects ~ 2·10¹⁸ cm⁻³ in clusters form the impurity zone near the valence band of width equal 0.08 eV. 2013 Article Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии / А.П. Долголенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 5. — С. 37-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111417 621.315.592.3:546.28:539.12.04 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
spellingShingle	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Долголенко, А.П. Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии Вопросы атомной науки и техники
description	Исследованы высокоомные образцы p-Si (p₀₀=(1,63…7,09)·10¹¹ см⁻³), выращенные методом бестигельной зонной плавки, после облучения быстрыми нейтронами реактора при 320 К. Определены энергетические уровни дивакансии в германии в трех зарядовых состояниях в зависимости от её конфигурации в кремнии. Рассмотрены эксперименты, которые можно объяснить как конфигурационные переходы дивакансии с большей дисторсии в меньшую и наоборот в кремнии и германии. Приведены значения энергетических уровней дивакансии в кремнии и германии в разных конфигурациях. Показано, что у радиационных дефектов в Ge отсутствуют донорные уровни, а энергия Hubbard у дефектов такая же, как и в Si. Уровень дивакансии V₂(−/0) в Q1-конфигурации Ev+0,085 эВ определяет концентрацию дырок в валентной зоне p-Ge 2,2·10¹⁷ см⁻³ и положение уровня Ферми Ev+0,125 эВ в кластерах дефектов, созданных быстрыми нейтронами в Ge. Концентрация дефектов ~2·10¹⁸ см⁻³ в кластерах образует примесную зону около валентной зоны шириной 0,08 эВ.
format	Article
author	Долголенко, А.П.
author_facet	Долголенко, А.П.
author_sort	Долголенко, А.П.
title	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии
title_short	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии
title_full	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии
title_fullStr	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии
title_full_unstemmed	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии
title_sort	электронные уровни конфигураций дивакансии в германии
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111417
citation_txt	Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии / А.П. Долголенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 5. — С. 37-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT dolgolenkoap élektronnyeurovnikonfiguracijdivakansiivgermanii
first_indexed	2025-07-08T02:09:13Z
last_indexed	2025-07-08T02:09:13Z
_version_	1837042820556259328
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) 37 УДК 621.315.592.3:546.28:539.12.04 ЭЛЕКТРОННЫЕ УРОВНИ КОНФИГУРАЦИЙ ДИВАКАНСИИ В ГЕРМАНИИ А.П. Долголенко Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев, Украина E-mail: odolgolenko@kinr.kiev.ua Исследованы высокоомные образцы p-Si (p00=(1,63…7,09)·1011 см-3), выращенные методом бестигельной зонной плавки, после облучения быстрыми нейтронами реактора при 320 К. Определены энергетические уровни дивакансии в германии в трех зарядовых состояниях в зависимости от её конфигурации в кремнии. Рассмотрены эксперименты, которые можно объяснить как конфигурационные переходы дивакансии с большей дисторсии в меньшую и наоборот в кремнии и германии. Приведены значения энергетических уровней дивакансии в кремнии и германии в разных конфигурациях. Показано, что у радиационных дефек- тов в Ge отсутствуют донорные уровни, а энергия Hubbard у дефектов такая же, как и в Si. Уровень дивакан- сии V2(−/0) в Q1-конфигурации Ev+0,085 эВ определяет концентрацию дырок в валентной зоне p-Ge 2,2·1017 см-3 и положение уровня Ферми Ev+0,125 эВ в кластерах дефектов, созданных быстрыми нейтрона- ми в Ge. Концентрация дефектов ~2·1018 см-3 в кластерах образует примесную зону около валентной зоны шириной 0,08 эВ. ВВЕДЕНИЕ Облучение ядерными частицами является эф- фективным методом исследования в физике твердо- го тела. К настоящему времени стала очевидна не- обходимость уточнения электронных уровней дива- кансии в запрещённой зоне не только в кремнии, но и в германии. Расчёт методом молекулярных орби- талей [1] полностью подтвердил представление о двухъямном потенциале дивакансии в кремнии в нейтральном и заряженных состояниях. Известно, что при больших дозах облучения быстрыми ней- тронами реактора уровень Ферми близок к середине запрещённой зоны кремния и расположен на ней- тральном уровне дивакансии в первой конфигура- ции с сильной дисторсией [2]. Облучение монокри- сталлического германия р-типа большими дозами γ-квантов 60Co и быстрыми нейтронами реакторного спектра показало, что предельное положение уровня Ферми изменилось от ∼ Ev+0,24 до Ev+0,125 эВ со- ответственно [3]. Получение толстослойных релак- сированных кристаллов Si1-xGex [4] позволило опре- делить энергетические уровни дивакансии и других дефектов в запрещённой зоне в зависимости от кон- центрации Ge в Si n-, p-типов. В работах [4, 5] экс- периментально показано, что с увеличением кон- центрации германия в кремнии уровни радиацион- ных дефектов как акцепторные, так и донорные по- нижают свою энергию в запрещенной зоне. Энергия Hubbard между уровнями дивакансии V2(=/–) и V2(–/0) при увеличении концентрации германия в кремнии сохраняется ≈ 0,2 эВ. Дивакансия в отрица- тельно-заряженном состоянии в верхней половине запрещенной зоны Si1-xGex (х < 0,25) привлекательна для захвата электрона, а в нижней половине запре- щенной зоны (х > 0,25) – для захвата дырки. Наблю- далось отсутствие непрерывности ~ 0,07 эВ в поло- жении V2(–/0) уровня дивакансии, когда он пересе- кает середину запрещенной зоны. К настоящему времени стала очевидна необхо- димость экспериментально уточнить электронные уровни дивакансии, А-центра, E-центра в запрещен- ной зоне германия. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Образцы p-Si (p00 = (1,63…7,09) ⋅ 1011 cм-3), вы- ращенные методом бестигельной зонной плавки, были облучены (5,0⋅1012…3⋅1013) no⋅см-2 флюенсом быстрых нейтронов реактора при температуре 320 К. Облучение проводилось в горизонтальном канале реактора ВВР-М. Поток (1⋅1010 no⋅см-2⋅с-1) быстрых нейтронов был определен пороговым де- тектором 32S с точностью 10 % и приведен к энергии нейтронов, начиная с ~ 100 кэВ. Измерения прово- димости и постоянной Холла были выполнены с точностью 3 % методом Van der Pauw на квадрат- ных образцах размером 10 × 10 × 1 мм компенсаци- онным способом. Контакты создавались втиранием алюминия на шлифованную поверхность кремния. На рис. 1,а,б приведены температурные зависи- мости эффективной концентрации дырок в валент- ной зоне p-Si, облученного различными дозами бы- стрых нейтронов реактора после изохронного отжи- га длительностью 30 мин при различных температу- рах. Полученные результаты расчетов представлены в виде табл. 1–3. На рис. 2,а,б показана энтальпия ионизации дивакансии в различных зарядовых со- стояниях относительно зоны проводимости Si1-xGex в зависимости от концентрации германия (х) в кремнии [4]. СТАТИСТИКА ЗАПОЛНЕНИЯ ДОНОРНЫХ И АКЦЕПТОРНЫХ СОСТОЯНИЙ ДЕФЕКТОВ В p-Si Рассмотрим полупроводник р-Si, легированный атомами бора с нескомпенсированной концентраци- ей Nа, в области температур от комнатной до темпе- ратуры жидкого азота. Пусть быстрые нейтроны равномерно создают точечные дефекты донорного типа (кроме области скопления дефектов) с концен- трацией Nd < Na, а также вводят дефекты акцептор- ного типа. Будем считать р-Si невырожденным 38 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) (Na < 1014 см-3). Тогда при повышении температуры образца p-Si от 77 К будем иметь некоторую кон- центрацию дырок в валентной зоне за счет теплово- го возбуждения дырок с уровня Еd как в проводящей матрице p1(T,Ф), так и в области пространственного заряда кластеров дефектов P3(T,Ф). Из решения квадратичного уравнения получим температурную зависимость концентрации дырок в образце: 1 11 11 2 11 ( )1( , , ) ( ) 2 4 ( )1 1 , ( ) ( ) d d a d a d d a d Np T E N p E N p E NN p E λ λ Φ⎛ ⎞Φ = − − ×⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟+ +⎜ ⎟Φ⎛ ⎞− −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= Tk ETNgEp d Vd λ exp)()(11 , (1) где g = 2 – фактор вырождения донорного уровня в р-Si; Nd(Ф) – концентрация радиационно введенных донорных дефектов после облучения флюенсом Ф; р11(Еd) – концентрация дырок в валентной зоне р-Si, когда уровень Ферми совпадает с уровнем Еd в про- водящей матрице или с эффективным уровнем Еd /λ в пространственно заряженной области кластера дефектов. Уравнение (1), полученное из решения квадратичного уравнения, вытекает из условия элек- тронейтральности [6]. Аналогично при повышении температуры образ- ца р-Si от 77 К будем иметь некоторую концентра- цию дырок в валентной зоне за счет теплового воз- буждения их с акцепторного уровня Еа как в прово- дящей матрице р0(Т,Φ ), так и в области простран- ственного заряда кластеров дефектов Р4(Т,Φ ): ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − Φ +=Φ 1 )( )(41)( 2 1,, 11 110 a a aa Ep NEpETp , ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= Tk ETNgEp a Va λ exp)(111 , (2) где g1 = 0,5 – степень вырождения акцепторного уровня в р-Si; Na(Ф) – концентрация радиационно введенных акцепторных дефектов после облучения флюенсом Ф. Если донорные и акцепторные дефекты распо- ложены в проводящей матрице р-Si, то λ = 1, а если в области пространственного заряда кластеров, то λ = 1,2. Анализ температурных зависимостей рэф(Т,Ф) показал, что лучшее их описание в зависи- мости от Т и Ф получим, если предположим наличие дефектов в области пространственного заряда кла- стеров с эффективным уровнем Еа /λ, которые ком- пенсируют экранирующее действие мелких акцеп- торов. Здесь Еа – энергетическое положение этого же дефекта в проводящей матрице р-Si. Тогда до- полнительная концентрация дырок в валентной зоне проводящей матрицы образца р-Si равна р = р0 + р1, а дополнительная концентрация экранирующих центров в областях пространственного заряда кла- стеров дефектов – P2 = P4 + P3. На рис. 1 представлены рассчитанные согласно уравнениям (1)–(3) температурные зависимости эф- фективной концентрации дырок в валентной зоне р- Si после облучения образцов различными флюенса- ми быстрых нейтронов реактора при некоторых температурах изохронного отжига. Предполагалось, что в отсутствие статистического взаимодействия между уровнями радиационных дефектов, концен- трацию носителей в проводящей матрице р-Si мож- но определить, если вычислить суммарную концен- трацию дырок ( ), , ,i i i p T EΦ∑ которые будут по- ставляться в валентную зону при ионизации акцеп- торных и донорных уровней: ( ) ( )∑ Φ+−Φ=Φ i Dii NpETpTp )(,,, 00 , (3) где i = 3 – присутствуют в проводящей матрице один акцепторный и два донорных уровня дефектов; p00 – концентрация дырок в р-Si до облучения; ND(Ф) – концентрация самого глубокого донорного уровня. Так как образцы после облучения прошли тер- мический отжиг, то в p-Si кластеры дефектов уже отожглись, или после отжига при 200 оС в проводя- щей матрице уже отсутствуют области пространст- венного заряда. Поэтому учитывать долю непрово- дящего объёма не имеет смысла. Описание темпера- турной зависимости концентрации дырок в образцах кремния после облучения и последующего изохрон- ного отжига было выполнено согласно уравнениям (1)–(3) при λ=1. Энергетические положения в за- прещенной зоне (ЗП) кремния радиационных дефек- тов и их концентрации показаны в табл. 1. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Из табл. 1 видно, что уровни Ev+0,21 и Ev+0,365 наблюдаются в равной концентрации, что свиде- тельствует о том, что этот дефект находится в одном и том же зарядовом состоянии. Так как Ev+0,21 (0/+) – это положение в запрещенной зоне кремния поло- жительно заряженной дивакансии, тогда Ev+0,365 и Ev+0,20 – это положение V2(0/+) в первой и второй конфигурациях соответственно. В процессе измере- ний в области температур (230…300 К) дивакансии меняют конфигурацию: экспериментальные значе- ния концентрации дырок в валентной зоне лежат выше теоретической кривой. При повышении тем- пературы на образце дырки, освободившись с уров- ня Ev+0,21 эВ, обладают энергией недостаточной, чтобы быть захваченными на уровень Ev+0,365 эВ. При малых флюенсах облучения образцов высоко- омного кремния после их изохронного отжига при 200…325 0С дивакансии в процессе измерений пе- реходят из первой во вторую конфигурацию даже при комнатной температуре (см. рис. 1,а). ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) 39 а б Рис. 1. Температурная зависимость концентрации носителей в p-Si (р00 =2,62·1011 см-3, p00 =7,09·1011 см-3), облучённом быстрыми нейтронами реактора (Фа = 5·1012 no·см-2, Фb = 3,0·1013 no·см-2) соответственно, после изохронного отжига при температурах: 1 – 200 оС; 2 – 225 0С; 3 – 250 0С (а). 1 – 250 оС; 2 – 275 0С; 3 – 300 0С; 4 – 325 0С (б). • – эксперимент; –— – расчёт; отжиг – 30 мин В работе [2] показано, что нейтральный уровень дивакансии Ev+0,45 эВ согласно теоретическим рас- чётам [1] должен отличаться на 0,07 эВ от нейтраль- ного уровня дивакансии Ev+0,53 эВ в первой конфи- гурации. В нашем случае эта энергетическая разни- ца равна 0,08 эВ. Нейтральные уровни дивакансии в первой и во второй конфигурационных ямах под- вержены реакции перезарядки V2 0 → V2 − + V2 +, т. е. выступают как обычные рекомбинационные центры, которые выше комнатной температуры захватывают электроны, а ниже 292 К – дырки, так что их энергия при захвате дырок возрастает на 0,01…0,02 эВ. Медленные центры захвата электрона в области температур перезарядки Е0,17-центра (Ес-0,17 эВ) были подробно исследованы в работе [7]. Показано, что скорость их введения не зависит от энергии электронного облучения, но эти дефекты отжигают- ся при 277 оС. Дивакансии отжигаются в том же температурном интервале, но скорость их введения зависит от энергии электронного облучения. Мед- ленные центры захвата в образцах Si(Fz) с Schottky барьером обладают (0,08±0,015) эВ энергией акти- вации сечения захвата электрона на акцепторный уровень с термической энергией активации 0,17 эВ. Тогда этот радиационный дефект с энтальпией ио- низации (0,09 эВ) и положением Ec-0,09 эВ сущест- вует в запрещённой зоне кремния относительно дна зоны проводимости. В случае отжига при 277 оC в течение 4,5 ч этот дефект исчезал. Так же, как и А-центр, концентрация этого дефекта не зависит от энергии электронного облучения (в противополож- ность дивакансии). В работе показано, что Ec-0,09 эВ в кислородном кремнии и в бескислород- ных p-i-n-диодах имеют сравнительно малую кон- центрацию по отношению к А-центру. Таблица 1 Параметры расчёта концентрации и энергетического положения уровней в запрещённой зоне кремния после облучения и изохронного отжига образцов p-Si (р00 = 2,62·1011 см-3, p00 = 7,09·1011 см-3) Φ, no/cм2 Р00, cм-3 EV+Ed, эВ Na, cм-3 Nd, cм-3 Tann,oC 0,367 5,4·1012 4,8·1012 200 0,283 6,0·1011 4,8·1012 0,365 8,2·1012 6,0·1012 225 5·1012 2,62·1011 0,283 2,2·1012 1,6·1012 0,200 6,0·1011 6,0·1012 0,365 1,4·1013 7,0·1012 250 0,280 7,0·1012 3,0·1012 0,200 4,0·1012 7,0·1012 0,365 1,4·1013 1,2·1013 250 0,280 2,0·1012 3,0·1012 3·1013 7,09·1011 0,365 2,0·1013 1,5·1013 275 0,283 5,0·1012 3,0·1013 0,365 2,85·1013 2,15·1013 300 0,280 7,00·1012 1,20·1013 0,365 3,60·1013 3,00·1013 325 0,280 6,00·1012 7,00·1012 Вспомним, что эти дефекты с медленным захва- том электронов наблюдались на образцах с барье- ром Schottky. В таких структурах следует учитывать наличие большого количества дефектов вблизи по- верхности кремния (в особенности вакансий). Ввиду высокой концентрации вакансий вблизи поверхно- сти велика вероятность радиационной вакансии об- разовать дивакансию, объединившись с вакансией 40 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) вблизи поверхности. Поэтому скорость введения дивакансии в образцах с барьером Schottky уже не будет зависеть от энергии электронного облучения. Тогда можно предположить, что Ec-0,09 эВ является дивакансией в трижды отрицательно заряженном состоянии в первой конфигурации. А в отрицатель- ном и дважды отрицательном зарядовом состоянии положение уровней дивакансии в кремнии во второй конфигурации равны соответственно Ес-0,42 эВ и Ес-0,17 эВ. При этом предполагалось, что энергия Hubbard не зависит от числа электронов, захвачен- ных на радиационный дефект. а б Рис. 2. Энтальпия ионизации дивакансии в различных зарядовых состояниях: в нейтральном (а) и в отрицательно заряженных и положительном (б) относительно зоны проводимости Si1-xGex в зависимо- сти от концентрации германия (х) в кремнии [4] В работе [4] показано, что в Si1-xGex (0 < х < 0,5) n-типа проводимости дивакансии уменьшают энер- гетическое положение акцепторных уровней отно- сительно дна зоны проводимости, а в р-типе – до- норные уровни относительно потолка валентной зоны за счёт повышения энергии валентной зоны. Это правило относится и к другим радиационным дефектам, например Е-центрам [5]. На рис. 2 пред- ставлены результаты такого поведения акцепторных и донорных уровней дивакансии, полученные в ра- боте [4]. Наблюдалось отсутствие непрерывности в поло- жении V2(–/0) уровня дивакансии ~ 0,07 эВ, когда он пересекает середину запрещенной зоны (см. рис. 2). После пересечения середины запрещённой зоны Si1-xGex отрицательно заряженная, так же как и по- ложительно заряженная, дивакансия относительно дна зоны проводимости не изменяет своего положе- ния при увеличении концентрации германия в крем- нии. Всё вышесказанное позволяет определённо ут- верждать, что наблюдаемый разрыв ∼ 0,07 эВ как раз и связан с конфигурационным переходом дива- кансии из Q1- в Q2-конфигурацию. Зависимость ширины Eg запрещённой зоны Si1-xGex от концентрации германия в кремнии можно определить согласно выражениям [4]: 2( ) ( ) 0,43 0,206Eg x Eg Si x x= − ⋅ + ⋅ , (x<0.85); 2( ) 1,169 / ( )Eg Si T Tα β= − ⋅ + , (α=4,9⋅10-4 эВ/K; β=655). Так, при T = 300 K и x = 0,5 Eg = 0,9565 эВ. Определяя в Si1-xGex положение уровней дива- кансии относительно потолка валентной зоны при х = 0,5 и учитывая повышение энергии валентной зоны при переходе к германию, получаем положе- ние уровней дивакансии в запрещенной зоне в Q1- и Q2-конфигурациях в монокристаллах Ge. Уровни различных зарядовых состояний дивакансии в кремнии и германии в зависимости от конфигура- ции Q1 или Q2 представлены в табл. 2. Из таблицы видно, что при захвате электрона на уровень дива- кансии в Si и Ge в первой конфигурации энергия уровня увеличивается на 0,165 эВ, а во второй кон- фигурации – на 0,250 эВ. В работе [8] предложена схема уровней собст- венных радиационных дефектов, которая базируется не только на литературных данных. Она учитывает следующие положения: (j) радиационные дефекты создают дополнительные уровни энергии электро- нов в запрещенной зоне, причем собственные де- фекты в кремнии амфотерны; (jj) при захвате одного или второго электрона на акцепторные уровни дива- кансии или димеждоузлия положение их в запре- щенной зоне кремния изменяется на величину ΔЕ0 = (0,165 ± 0,005) эВ, а в случае вакансий или междоузлий – это значение удваивается; (jjj) при- соединение углерода к дивакансии повышает энер- гетическое положение акцепторных уровней дива- кансии на величину ΔЕ1 = 0,035 эВ и понижает энер- гию донорных уровней, а присоединение кислорода к дивакансии понижает энергию акцепторных уров- ней и повышает энергетическое положение донор- ных уровней дивакансии на величину ΔЕ2 = 0,06 эВ. Следует внести еще некоторые уточнения в мо- дель модификации радиационных дефектов, таких как дивакансия и А-центры. Присоединение межу- зельного атома кремния понижает энергетическое положение акцепторного уровня А-центра на 0,03 эВ и повышает энергию донорного уровня на 0,03 эВ. В случае присоединения димеждоузлия к А-центру энергетическое положение акцепторного уровня изменяется уже на 0,06 эВ аналогично мо- дификации дивакансии атомом кислорода. Углерод модифицирует А-центры, так же как и дивакансии. Исходя из того, что энергия Hubbard (EH) в Q1- и в Q2-конфигурациях дивакансии в Si и Ge одинаковая, ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) 41 можно предположить, что фоновые примеси будут модифицировать радиационные дефекты в Ge так же, как и в Si. При модификации радиационных де- фектов фоновыми примесями положение их ней- тральных уровней в запрещенной зоне не изменяет- ся. Таблица 2 Энергетическое положение уровней дивакансии в различном зарядовом состоянии в кремнии и в германии в зависимости от её атомной конфигурации Атомная конфигурация Зарядовое состояние, эВ EH, эВ ΔE, эВ Si Ge 3-/2- 2-/- -/0 0/0 0/+ – – Q1 Ec-0,09 Ec-0,261 Ec-0,426 Ev+0,53 Ev+0,365 0,165 – Q2 Ec+0,08 Ec-0,17 Ec-0,42 Ev+0,45 Ev+0,20 0,25 – Q1 Ec-0,25 Ev+0,25 Ev+0,085 Ev-0,08 – 0,165 0,16 Q2 Ec-0,05 Ec-0,30 Ev+0,11 Ev-0,14 – 0,25 0,13 Таблица 3 Модификация радиационных дефектов фоновыми примесями в германии V2(Q1), эВ V2(Q2), эВ PV, эВ VOi, эВ VOiIGe, эВ IGe, эВ I2Ge, эВ V, эВ Зарядовое состояние Ev+0,25 Ec-0,30 Ec-0,37 Ec-0,19 Ec-0,25 Ec-0,28 =/− Ev+0,085 Ev+0,11 Ev+0,10 Ec-0,20 Ec-0,23 Ev+0,14 Ev+0,25 Ev+0,05 −/0 0,16 0,13 0,105 0,025 0,025 0,15* 0,10* 0,19* ΔE эВ 0,165 0,25 0,195 0,33 0,165 0,33 EH эВ *Отсутствуют надёжные значения ΔЕ-смещений уровней. Заряд уровней IGe условно занижен на единицу. Положение уровня Е-центра Ev+0,30 в Ge было впервые определено Fage-Pedersen и др. в работе [9]. Дальнейшее изучение VP-центров в Ge показало, что Ec-0,37 эВ является вторым акцепторным уров- нем Е-центра и может находиться в дважды отрица- тельно заряженном состоянии [10, 11]. Это значит, что в кремнии должно существовать также дважды заряженное состояние Е-центра в запрещённой зоне: Ес-0,265 эВ (=/−). Согласно [4] отрицательно заря- женные Е-центры с увеличением концентрации гер- мания в кремнии понижают энергетическое поло- жение в запрещенной зоне. Поэтому в запрещённой зоне относительно Ес-зоны энергия акцепторных уровней Е-центров будет понижена на 0,105 эВ в германии относительно Ес-зоны в кремнии. Появле- ние в Ge, облучённом 2 МэВ электронами, спустя некоторое время после облучения и исчезновение спустя десять дней уровней Ес-0,13 эВ и Ес-0,19 эВ можно объяснить освобождением межузельного атома Ge (IGe) из ловушки и частичным захватом на атом фосфора и уходом на стоки в дальнейшем. В кремнии наблюдалось, что легирующая примесь (фосфор) около А-центра повышает энергию VOiP на 0,17-0,105=0,065 эВ [12]. Поэтому уровень Ес-0,19 эВ (3-/2-) принадлежит в германии межу- зельному атому Ge (IGe), а уровень Ес-0,13 эВ (=/−) − IGeP-дефекту. Близкое значение энергии в ЗП герма- ния может иметь димеждоузлие I2Ge. Возможно, что при комнатной температуре распадается пара Френ- келя и рождаются вакансия и межузельный атом германия в равной концентрации. Вакансия возле межузельного атома кислорода будет иметь уровень Ес-0,13 эВ (3-/2-), а межузельный атом германия − Ес-0,19 эВ (3-/2-). Уровень дивакансии V2(-/0): E(V2) = Ev+0,085 эВ в германии определяет предельное положение уров- ня Ферми при облучении быстрыми нейтронами реакторного спектра: Ef = Ev+0,125 эВ и концентра- цию дырок в валентной зоне: P = 2,2⋅1017 см-3. Тогда концентрацию V2 в кластерах легко определить: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − ⋅= 1) )( exp(2)( 2 2 kT VEE PVN f , при Т=300 К N(V2)=2,0⋅1018 см-3. Такая высокая концентрация дивакансий в кла- стерах создаёт вблизи валентной зоны примесную зону шириной (ΔЕ) [13]: BE ⋅=Δ 2ln8 , 3/1 0 3/22 )( )( NdNa NdNaeB − + = χχ , где е – заряд электрона; Na , Nd – концентрации акцепторов и доноров; χ=70; χ0=8,8510-12 ф/м. При Na = 2⋅1018 см-3 ΔЕ = 0,08 эВ, что согласуется с экс- периментальным значением концентрации дырок в валентной зоне n-облучённого Ge: Р = 2,2 ⋅ 1017 см-3. ) 2/ exp( kT EE NvP f Δ− ⋅= . Плотность состояний в валентной зоне 15 3/2 3/ 2 0( ) 4,82 10 ( / )dpNv T T m m= ⋅ , где 0/dpm m = 0,39, Nv (300 K) = 6,04⋅1018 см-3. ВЫВОДЫ Приведены значения энергетических уровней дивакансии в кремнии и германии в разных конфи- гурациях. Показано, что у радиационных дефектов в германии отсутствуют донорные уровни, а Hubbard энергия у дефектов такая же, как и в кремнии. Уро- вень дивакансии V2(−/0) в Q1-конфигурации Ev + 0,085 эВ определяет концентрацию дырок 2,2·1017 см-3 в валентной зоне p-Ge и положение уровня Ферми Ev+0,125 эВ в кластерах дефектов, 42 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) созданных быстрыми нейтронами в германии. Кон- центрация дефектов ~2·1018 см-3 в кластерах образу- ет примесную зону около валентной зоны шириной 0,08 эВ. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. С.С. Моливер. Метод открытой оболочки для электронной структуры дивакансии кремния // ФТТ. 1999, т. 44, в. 3, с. 404-410. 2. А.П. Долголенко. Электронные уровни конфи- гураций дивакансий в кремнии // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных по- вреждений и радиационное материаловедение». 2012, №5(81), с.13-20. 3. J.H. Crawford, Jr., and J.W. Cleland. Nature of Bombardment and Energy Levels in Semiconductors // J.of Appl. Phys. 1959, v. 30, N 8, p. 1204-1213. 4. A. Nylandsted Larsen, A. Bro Hansen, A. Mesli. Irradiation−induced defects in SiGe // Mater. Sce. Eng. B. 2008, v. 154-155, p. 85-89. 5. Arne Nylandsted Larsen, Abdelmadjid Mesli. The hidden secrets of the E-center in Si and Ge // Physica B. 2007, v. 401-402, p. 85-90. 6. A.P. Dolgolenko, I.I. Fishchuk. A-centres build– up kinetics in the conductive matrix of pulled n-type silicon with calculation of their recharges at defect clus- ters // Phys. Stat. Sol. (a). 1981, v. 67, N 8, p. 407. 7. S.D. Brotherton and P. Bradley. Defect produc- tion and lifetime control in electron and γ - irradiation silicon // J. Appl. Phys. 1982, v. 53, N 8, p. 5720. 8. A.P. Dolgolenko, P.G. Litovchenko, M.D. Var- entsov, G.P. Gaidar, A.P. Litovchenko. Particularities of the formation of radiation defects in silicon with low and high concentration of oxygen // Phys. Stat. Sol. (b). 2006, v. 243, N 8, p. 1842. 9. J. FagePedersen, A.N. Larsen, A. Mesli. Irradia- tion-induced defects in studied by transient spectro- scopies // Phys. Rev. B. 2000, v. 62, N 15, p. 10116- 10125. 10. V.P. Markevich, A.R. Peaker, V.V. Litvinov, V.V. Emtsev, L.I. Murin. // J. Appl. Phys. 2004, v. 95, p. 4078. 11. V.P. Markevich, I.D. Hawkins, A.R. Peaker, K.V. Emtsev, V.V. Emtsev, V.V. Litvinov, L.I. Murin, L. Dobaczewski // Phys. Rev. 2004, v. 70, p. 235213. 12. G.E. Jellison, Jr. Transient capacitance studies of an electron trap at Ec−ET = 0.105 eV in phosphorus doped silicon // J. Appl. Phys. 1982, v. 53, N 8, p. 5715- 5719. 13. Я. Партыка, П.В. Жуковский, П. Венгерэк, А. Родзик, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак. Темпе- ратурная зависимость ширины зоны глубоких уров- ней в сильнодефектном кремнии // ФТП. 2002, т. 36, №12, с. 141. Статья поступила в редакцию 22.03.2013 г. ЕЛЕКТРОННІ РІВНІ КОНФІГУРАЦІЙ ДИВАКАНСІЇ В ГЕРМАНІЇ А.П. Долголенко Досліджені високоомні зразки p-Si (p00 = (1,63…7,09)·1011 см-3), вирощені методом безтигельної зонної плавки, після опромінення швидкими нейтронами реактора при 320 К до і після ізохронного відпалу. Ви- значено у германії енергетичні рівні дивакансії в трьох зарядових станах у залежності від її конфігурації в кремнії і приведено значення енергетичних рівнів дивакансії та Е-центра. Показано, що в радіаційних дефе- ктах у Ge немає донорних рівнів, а енергія Hubbard у дефектів така ж, як і в Si. Рівень дивакансії V2(−/0) у Q1-конфігурації Ev+0,085 еВ визначає концентрацію дірок у валентній зоні p-Ge 2,2·1017 см-3 і положення рівня Фермі Ev+0,125 еВ у кластерах дефектів, створених швидкими нейтронами в Ge. Концентрація дефек- тів ~ 2·1018 см-3 у кластерах утворює домішкову зону біля валентної зони шириною 0,08 эВ. ELECTRONIC CONFIGURATIONS OF THE LEVELS OF DIVACANCIES IN GERMANIUM A.P. Dolgolenko High-resistance samples p-Si (p0 = (1.63…7.09)·1011 cm-3), grown by the floating zone melting after irradiation with fast neutron reactor at 320 K after isochronal annealing were studied. The energy levels in germanium of a di- vacancy in three charge states, depending on its configuration in silicon are determined. The values of the energy levels of divacancies and E-center are resulted. Shows that radiation defects in Ge no donor levels and Hubbard en- ergy have the same defects as in Si. Divacancy (V2) level (-/0) Ev + 0.085 eV in Q1-configuration determines the concentration of holes in the valence band p-Ge 2.2·1017 cm-3 and the position of the Fermi level Ev+0.125 eV in clusters of defects produced by fast neutron in Ge. The concentration of defects ~ 2·1018 cm-3 in clusters form the impurity zone near the valence band of width equal 0.08 eV.

Электронные уровни конфигураций дивакансии в германии

Репозитарії

Схожі ресурси