Состояние примесных атомов с глубокими уровнями в полупроводниках в условиях сильной компенсации

В условиях сильной компенсации, в полупроводниках, концентрация равновесных носителей тока становится в сотни тысячи или миллионы раз меньше, чем концентрация ионизованных примесных атомов в решетке, что имеет место при Т=300 К, а с понижением температуры эта разница еще более увеличивается. В этом случае не только нарушаются локальные электронейтральности в решетке и потенциал окружающего примесного атома, но и существенно меняется дефектная структура самой кристаллической решетки. С другой стороны в условиях сильной компенсации система находится в крайне неравновесном состоянии. Воздействие малейших внешних факторов (температуры, давления, освещенности, электрического и магнитного поля) меняет не только электронную структуру дефектов кристаллический решетки, но и существенно изменяет условия взаимодействия дефектов и носителей тока. Поэтому примесные атомы с глубокими уровнями в этих условиях не имеют фиксированных состояний в решетке, как это обычно имеет место в некомпенсированном полупроводнике, а вынуждены постоянно перестраиваться с изменением внешних воздействий. Это означает, что каждому квазиравновесному состоянию решетки соответствуют только определенные состояния примесных атомов (положение их в решетке, энергетические уровни). Поэтому в зависимости от степени компенсации материала и условий эксперимента, примесные атомы с глубокими энергетическими уровнями в кремнии могут внести в запрещенную зону материала различные энергетические уровни с соответствующим состоянием в кристаллической решетке.

Анализ опубликованных экспериментальных данных авторов [1÷6] по исследованиям примесных атомов, создающих глубокие энергетические уровни позволяет выяснит некоторые интересные факты в пользу выше изложенного предположения. Практически для всех элементов таблицы Менделеева, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния был обнаружен целый ряд энергетических уровней неизвестной природой с различной энергией ионизации (таблица-1).

Таблица 1

Существование этих уровней нельзя объяснить электронной структурой примесных атомов в кристаллической решетке. Большинство авторов утверждают, что примесные атомы образуют не фиксированные энергетические уровни в запрещенной зоне, а создают энергетические полосы с определенной шириной (таблица-2).

Таблица 2

Данные о концентрации электроактивной части примесных атомов с глубокими уровнями полученные различными авторами, существенно отличаются друг от друга и очень противоречивы.

Нами получены некоторые новые экспериментальные результаты, связанные с поведением примесных атомов марганца в кремнии в условиях сильной компенсации. Для исследования в качестве исходного материала был использован монокристаллический кремний р-типа с удельным сопротивлением &#;=1; 4,5; 10; 100; 220 Ом·cм и n-типа с удельным сопротивлением &#;= 2;10; 25; 70; 200 Ом·cм. Концентрация кислорода в данном материале практически была одинакова и составила N_o2=(5÷7)·10¹⁷см^-3. Из каждого исходного материала было изготовлено по 10 образцов с одинаковыми геометрическими размерами. Диффузия марганца проводилась из газовой фазы, при этом в каждую ампулу было помешено по два образца каждого исходного материала, для обеспечения одинаковых условий легирования и скорости охлаждения. Эксперимент повторялся 5 раз. При этом каждый раз при тех же условиях проводили отжиг исходных образцов без марганца, чтобы оценить влияние термоотжига на свойства материала.

Измерение электрофизических параметров образцов после диффузии марганца показало, что независимо от одинаковых условий (температура, время диффузии, давления паров диффузантов, скорости охлаждения) легирования, концентрация электроактивных атомов марганца существенно зависит от концентрации исходного бора в кремнии. Полная концентрация электроактивных атомов марганца определялась решением уравнения электронейтральности на основе экспериментальных результатов с учетом степени заполнения обоих энергетических уровней марганца (Е₁=Е_с-0.24 эВ, Е₂=Е_с-0.5 эВ) в запрещенной зоне кремния [8].

На рис.1 представлены зависимости концентрации электроактивных атомов марганца от концентрации исходного бора (кривая-2) и значения растворимости марганца при данной температуре диффузии (кривая-1). Как видно из рисунка, концентрация электроактивных атомов марганца в образцах р-типа с удельным сопротивлением &#;=1 Ом·cм почти на 2 порядка больше, чем в образцах р-типа с удельным сопротивлением &#;=220 Ом·cм, несмотря на легирование этих образцов в одной ампуле при абсолютно одинаковых условиях. Если концентрация электроактивных атомов марганца в образцах с &#; =1 Ом·cм достигает N_Mn=1.2·10¹⁶ см^-3 и очень близко к значению растворимости марганца при данной температуре (N_Mn=2·10¹⁶ cм^-3) [9], а в образцах р-типа с &#;=220 Ом·cм она не превышает (3÷3.5)·10¹⁴ см^-3.

Установлено, что концентрация электроактивных атомов марганца возрастает с увеличением концентрации бора, а при концентрации бора N_В &#; 2·10¹⁶ см^-3, практически все растворимые атомы становятся электроактивными. Показано, что концентрация электроактивных атомов марганца в n-кремнии не зависит от концентрации фосфора и при исследуемых температурах диффузии составляет N_Mn=(2÷2.5)·10¹⁴ см^-3, а это почти на 2 порядка меньше чем в р-кремнии (рис.1, кривая-3). Таким образом, концентрация электроактивных атомов марганца (и элементов группы железа) в кремнии зависит от типа и концентрации исходных примесей. Поэтому существующие литературные данные об электроактивности элементов переходных групп в кремнии является лишь частичным решением этого вопроса. Температурный ход концентрации электроактивных атомов не соответствует температурному ходу растворимости данного элемента в кремнии. Исследователи, не обращая внимания на степень компенсации исследуемого материала, условия эксперимента и параметры исходного материала, получили разные значения энергетических уровней, концентрации центров и каждый раз утверждали, что они обнаружили и новые энергетические уровни разные значения концентрации электроактивных атомов. В условиях сильной компенсации (вообще в компенсированном материале) состояние примесных атомов и соответствующие им энергетические уровни не являются фиксированными и могут иметь различные значения. В связи, с чем можно обсуждать возможность создания теории глубоких уровней в полупроводниках, которая до сих пор не существует в нормальном виде. Для этого необходимы более тщательные экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия примесных атомов с дефектами кристаллической решетки полупроводника в условиях сильной компенсации и явлениями переноса в этих материалах и вообще физики сильно компенсированных полупроводников.

Рис.1. Зависимость концентрации электроактивных атомов марганца от концентрации исходного бора и фосфора.

Литература:

1. Азимов Г.К. Диффузия, растворимость и состояние примесей скандия и ванадия в кристаллической решетке кремния. Автореф. дисс. к.ф.-м.н. Ташкент 1992 г.
2. Омельяновский Э.М., Фистуль В.И. Примеси переходных металлов в полупроводниках. Металлургия. М 1983 г., с.130.
3. Далиев Х.С., Лебедев А.А., Султанов Н.А. Параметры глубоких уровней в Si<V>. ФТП, 1985, в.2, с.338-339.
4. Юнусов М.С. Физические явления в кремнии, легированном элементами платиновой группы. ФАН, 1983.
5. Hall R.N., Rasette J.H.. Appl phys. 1984, v.45,p.379-396.