Исследование влияния положения уровня Ферми на фотопроводимость монокристаллического кремния Si С

Использование методов ЭПР и АСМ показало, что при определенных термодинамических условиях можно формировать нанокластеры атомов марганца в решетке кремния, состоящего из четырех атомов марганца, находящихся в эквивалентных соседних междоузлиях, вокруг отрицательно заряженного атома бора. Нами были установлены основные условия формирования таких кластеров, где атомы марганца находятся в ионизированном состоянии (Mn+, Mn++). Показано, что в зависимости от зарядового состояния атомов марганца структура таких кластеров [(Mn)+n (b) 1 ]+(n 1) - (значение n меняется от 4 до 8), и их размер составляет от 1,5 до 3 нм. Такие кластеры не только являются наноструктурой в решетке кремния, но и могут действовать как многозарядные

центры, заряд которых меняется от

[ ( Mn )⁺ 4 ( B )^{- 1} ]* 3

до

[MA- (B)]-7.

На основе монокристаллического кремния p-типа с р~5 Ом-см, управляя условиями диффузии, были изготовлены образцы с удельными сопротивлениями р=102^105 Ом-см, как компенсированные p- так и перекомпенсированные n-типа.

Методом эффекта Холла определены основные электрофизические параметры полученных образцов, а также положения уровня Ферми при Т =300 К (таблица 1).

Таблица 1- Основные электрофизические параметры Si c нанокластерами атомов марганца.

В результате исследования состояния атомов марганца в решетке методом ЭПР установлено, что в образцах p-типа с положением уровня Ферми F=EV+0,3 наблюдаются спектры, связанные с нанокластерами атомов марганца. В перекомпенсированных образцах n-типа, легированных марганцем, независимо от положения уровня Ферми такие спектры не были обнаружены, что свидетельствует об отсутствии или очень небольшой концентрации нанокластеров.

Фотоэлектрические свойства полученных образцов были исследованы с помощью ИКС-21 в интервале Т=77 + 300 К, при одинаковых условиях. Чтобы избежать попадания фоновых освещений, перед окошком криостата были поставлены фильтры из полированного монокристаллического кремния толщиной 300 мкм.

На рисунке 1 представлены спектральные зависимости фотопроводимости (ФП) образцов с различными значениями положения уровня Ферми как n - так и p -типа. Как видно из рисунка, в образцах p -типа с р =(6 + 8) - 10³ Ом - см, в которых были обнаружены нанокластеры с максимальной концентрацией ( N ~ 7 - 10¹⁴ см^-3), фото ответ начинается с h v =0,16 эВ и с ростом энергии падающих фотонов фототок непрерывно и скачкообразно увеличивается, и имеет максимальное значение при h v =0,75 + 0,8 эВ, т.е. в таких образцах наблюдается очень высокая примесная ФП в области h v =0.16 + 0,8 эВ ( Х =1,55 + 8 мкм) (кривая- 6). При смещении положения уровня Ферми вверх, т.е. с увеличением удельного сопротивления, начало фото ответа смещается в сторону высоких энергий фотонов, а в образцах практически сохраняется высокий уровень фоточувствительности в исследуемой области спектра (кривые- 3^5). Таким образом, установлено, что меняя положение уровня Ферми в образцах p -типа можно управлять началом фото ответа в интервале h v =0,16 + 0,4 эВ. Следует отметить, что обнаруженный фото ответ в образцах при h v =0,16 эВ (8 мкм), с одной стороны, показывает существенное расширение спектральной области фоточувствительности в кремнии, которое практически невозможно получить в области T >100 K с другими примесными атомами. Это позволяет создать высокочувствительные фотоприемники для работы в области Х =0,55 + 8 мкм. С другой стороны, аномально максимальная фоточувствительность таких образцов в области Х =1,55 мкм ( h v =0,8 эВ), позволяет создать очень чувствительные фотоприемники необходимые для волоконно -оптических линий связи и оптоэлектронных систем, в которых обычно используются лавинно- пролетные диоды на основе соединений A^IVB^V со сложной структурой.

I , A

• 1-    ρ =10⁴ Ом ⋅ см n -тип, 2- ρ =4 ⋅ 10⁴ Ом ⋅ см n -тип, 3- ρ =2 ⋅ 10⁵ Ом ⋅ см p -тип,

• 4-    ρ =4 ⋅ 10⁴ Ом ⋅ см p -тип, 5- ρ =2 ⋅ 10⁴ Ом ⋅ см p -тип, 6- ρ =8 ⋅ 10³ Ом ⋅ см p -тип.

Рисунок 1- Спектральная зависимость фотопроводимости в Si от положения уровня Ферми.

Также следует отметить тот факт, что атомы марганца в кремнии создают донорные уровни с энергией ионизации E1= EC-0,27 и E2= EC-0,5 эВ. Поскольку исследуемые образцы являются p-типа, они не могут участвовать в области hν=0,16÷0,4 эВ. Тогда возникает вопрос – какова природа энергетических уровней, обеспечивающих высокую фоточувствительность в области hν=0,16÷0,8 эВ? Нам кажется, что формирование нанокластеров существенно меняет энергетические структуры электронов в зависимости от зарядового состояния таких кластеров. Зависимость начала фотоответа от положения уровня Ферми в образцах кремния с многозарядными центрами представлена на рисунке1; также здесь представлена спектральная область чувствительности в зависимости от положения уровни Ферми и относительной чувствительности при наличии фото ответа с hν=0,8 эВ. Эти данные позволяют нам определить функциональные возможности образцов с центрами с различной кратностью заряда для создания фотоприемников, а также оценить роль зарядовых состояний центров.

В образцах n-типа фото ответ начинается при hν=0,5 эВ, В таких образцах независимо от удельного сопротивления примесная ФП в исследуемой области спектра существенно меньше, чем в образцах p-типа и она очень слабо зависит от энергии фотонов в области hν=0,16÷0,8 эВ. Эти результаты еще раз показывают, что формирование нанокластеров многозарядных центров позволяет существенно увеличить спектральную область и фото чувствительности кремния в диапазоне hν=0,16÷0,8 эВ.

Таким образом, формирование многозарядных нанокластеров существенно изменяет структуру энергетических состояний атома марганца в кремнии. Вследствие этого вместо двух донорных энергетических уровней Е1=ЕС-0,27, Е2=ЕС-0,5 эВ, которые обычно образуются, появляются более глубокие спектры донорных энергетических уровней атомов марганца в интервале E=EV+(0,16^0,4) эВ. Поэтому, в зависимости от концентрации и зарядового состояния кластеров, можно изменить начало фото ответа hν=0,16÷0,5 эВ.