Диссертация (1149385), страница 6
Текст из файла (страница 6)
табл. 1.4) глубина уровней деформационного потенциала не превышает 100 мэВ. Следует упомянуть ещё одну теоретическую работу, в которой было показанообразование мелких уровней в модели дефекта упаковки, ограниченного двумя 90 градуснымичастичными дислокациями [60]. Хотя модель и нереалистичная, расчёт предсказывает существование зависимости энергии образованного уровня от ширины ДУ.Высокочастотная проводимость и результаты элекродипольного спинового резонансаEDSR [61] экспериментально подтвердили наличие одномерных зон в кремнии, которые отстают от валентной зоны и зоны проводимости на величину порядка 0.08 эВ [62].
Позднее свойства мелких уровней, связанных с дислокациями, были изучены методами нестационарной ёмкостной спектроскопии глубоких уровней (НЕСГУ, англ. – Deep level transient spectroscopy(DLTS)) [63] и ёмкостная спектроскопия неосновных носителей тока (англ. Minority carrier transient spectroscopy (MCTS)) [64]. Появление таких модельных объектов как дислокационные сетки, образованных сращиванием пластин кремния с небольшой разориентацией (1-10°), позволило выявить новые особенности взаимодействия дислокаций с электронной подсистемой объёмного кристалла.
Так например, обнаруженный эффект Пула-Френкеля на дислокациях уточилположение энергетических 1D зон, которое составляет ~0.12 эВ [65].Наиболее подробно изучены свойства и энергетический спектр дислокаций в кремнии, вкотором обнаружены как мелкие, так и глубокие уровни, обусловленные дислокациями. Большинство центров не являются точечными дефектами, равномерно распределёнными в объёме, апредставляют собой центры, которые могут быть заселены многими электронами или дыркамии которые связаны с непрерывным увеличением кулоновского барьера с увеличением заполнения и могут захватывать в нормальных условиях только небольшое количество дополнительных электронов.
Выделяют два типа центров: 1) связанные непосредственно с дислокацией илокализованные в ядре дислокации; 2) точечные дефекты (вакансии, междоузлия, примесныеатомы) окружающие дислокацию, образующие так называемые атмосферы Коттрелла. Из результатов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), EDSR и DLTS были выявленыцентры DDB (англ. dislocation dangling bonds), обладающие Кулоновским барьером заряженнойлинии и расстояние между центрами соответствует 0.5 нм [61,66].
Т.е. DDB центры, скорее всего, являются оборванными связями в ядре краевых дислокаций, которые могут захватывать какодин электрон, так и два. Акцепторные уровни, вероятнее всего, является точечными центрами,локализованными вблизи дислокации. После отжига пики, соответствующие оборванным связям, пропадают, что, скорее всего, связано с реконструкцией ядер дислокаций и перегруппировкой оборванных связей и остаётся только два мелких уровня, непосредственно связанные с27дислокациями. Дальнейшее исследование глубоких уровней в кремнии привело к обобщению иконкретизации их природы [29,67].Причиной появления глубоких уровней также является взаимодействие атомов примеси,которое может быть связано с дальнодействующими силами упругости и электростатики илинепосредственно химическое связывание на ядре дислокации.
Экспериментальное исследование влияния Cu, Ni, Fe и Au загрязнений на температурную зависимость сигнала EBIC контраста дислокации (англ. Electron beam induced current – ток, наведённый электронным лучом) позволило установить, что ядра чистых дислокаций имеют исключительно мелкие состояний в запрещённой зоне, а примесные атомы активно взаимодействуя с дислокациями приводят к появлению глубоких уровней [68].Кроме того, примеси переходных элементов при больших концентрациях, которые могутбыть достигнуты только при высоких температурах их введения, могут образовывать преципитаты, предпочтительным местом образования которых являются дислокации [69,70], и которыетакже образуют глубокие уровни в кремнии.
Их рассмотрение выходит за рамки настоящей работы, которая посвящена изучению дислокационной люминесценции в GaN.Ещё одним типом дефектов, обусловленных введением дислокаций в кристаллы могутбыть следы, оставленные при движении дислокаций. В работах [71,72] было показано, что следы за дислокациями в кремнии образуют глубокие уровни с энергией активации около 0.5 эВ,которые проявляли высокую рекомбинационную активность, регистрируемую в EBIC. Детальная атомарная структура дефектов в следахнеустановлена.Нопосколькуследынаблюдались в кремнии только с относительно высокой концентрацией кислорода,было предположено, что такие дефектывозникают в результате взаимодействиядвижущихся дислокаций с кислородом собразованием собственных межузельныхатомов кремния.В работе [65] была предложена следующая обобщённая энергетическая структура дислокаций в кремнии, которая, повидимому, характерна для всех полупроводников.
1-мерные зоны для электронов идырок вблизи зоны проводимости и валент-Рис. 1.14 Обобщённая энергетическая диаграмма электронных состояний дислокаций. Регулярные сегменты дислокаций создают 1-мерныезоны, в то время как некоторые дефекты инерегулярности на дислокациях могут приводить к появлению глубоких локализованных состояний [9]28ной зоны соответственно формируются деформационным потенциалом, в то время как некоторые дефекты и нерегулярности на дислокациях, такие как перегибы, ступеньки, нереконструированные оборванные связи и примеси приводят к появлению глубоких локализованных уровней (рис. 1.14)1.3.2. Рекомбинация на дислокациях1.3.2.1.
Безызлучательная рекомбинацияНакопление экспериментальных данных подтвердило, что скорость рекомбинации неосновных носителей тока на дислокациях в кремнии сильно зависит от «загрязнения» дислокацииатомами переходных металлов. На рис. 1.15 представлена модель рекомбинации носителей тока, основанная на данных по температурной зависимости дислокационного контраста в EBIC[59]. В рассматриваемой модели предполагалось, что мелкие 1D зоны EDe и EDh, вызванные деформационным потенциалом, и глубокие электронные уровни EDD, образованные вследствиезахвата атомов примеси на дислокации, могут обмениваться электронами и дырками.
Скоростьрекомбинации (1) между 1D зонами является относительно медленной. Т.е. рекомбинационнаяактивность «чистых» дислокаций довольно маленькая. В случае загрязнения ядер дислокацийатомами переходных металлов волновые функции атомов примеси, локализованных вблизи нескольких нм от дислокационного ядра, образующие глубокие уровни EDD, будут перекрыватьсяс волновыми функциями 1D зон, приводя к дополнительным путям рекомбинации (3). И какследствие, скорость рекомбинация захваченных зарядов через дислокационные уровни EDD может резко возрасти при наличии даже небольшой концентрации атомов примеси на дислокационном ядре [68]. Представленная авторами модель описывала не только экспериментальныеданные, но и позволяла оценить концентрацию примесей на ядре дислокации.Рис.
1.15 Модель рекомбинации e-h пар через дислокационные уровни[68].291.3.2.2. Излучательная рекомбинацияРекомбинация неравновесных дырок и электронов через дислокационные уровни с испусканием фотонов является одним из наиболее вероятных процессов. В общем случае дислокации создают изолированные центры, которые захватывают электроны. Более того, уменьшение связи с решёткой посредством фононов благоприятствует созданию именно излучательныхцентров рекомбинации [73].
Процесс рекомбинации неосновных носителей, вероятнее всего,будет многоступенчатым, в который вовлечены как безызлучательные переходы на уровниблизлежащие к зонам проводимости и валентной зоне, и излучательные переходы непосредственно центр-зона или центр-центр.Одной из причин повышенного темпа излучательной и безызлучательной рекомбинациина дислокациях является упомянутое выше наличие области пространственного заряда вокругдислокации, которая затягивает неосновные носители заряда [16].Впервые дислокационную люминесценцию наблюдали в пластически деформированномгермании [2] в 1957 г., в кремнии – в 1976 г. [3]. Дислокационной люминесценции в кремнииуделяется особое внимание, во-первых, из-за сохранения некоторых линий излучения при комнатной температуре, а во-вторых – диапазон длин волн дислокационной люминесценции оптимален для оптоволоконной связи 1.1-1.6 мкм. Эти два фактора уже несколько десятилетий заставляют множество научных групп по всему миру вести исследования данного явления.
Основные линии люминесценции связанные с дислокациями в кремнии обозначены D1-D4 [3].Спектр фотолюминесценции пластически деформированного кремния представлен на рис. 1.16(А).(А)(Б)Рис. 1.16 (А) Спектр фотолюминесценции пластически деформированного кремния [3]. (Б)Качественная модель, объясняющая происхождение тех или иных полос люминесценции вкремнии [9]30Опыты по исследованию влияния одноосного напряжения и поляризации дислокационного излучения позволили установить, что свойства D-линий группируются парами для D1/D2и D3/D4 [9].
Из поляризационной зависимости линий D3/D4 следует вывод, что направлениеполяризации совпадает с вектором Бюргерса дислокаций. Согласно многочисленным исследованиям [9] линии D3/D4 являются результатом рекомбинации e-h пар в одномерных подзонахEDe и EDh вдоль дислокаций (рис. 1.16 (Б)), D4 – непосредственная рекомбинация e-h пар, D3 –TO фононное повторение линии D4 [9].Опыты по двухстадийной пластической деформации выявили тонкую структуру дислокационной линии D4 в кремнии [74] и линии d8 в германии [75], позволившие выдвинуть предположение о чувствительность дислокационных спектров к атомному строению дислокаций.Авторы в работе [76] предположили, что за дискретность ответственен некоторый дискретныйпараметр, такой как расщепление полной 60° дислокации, и была предложена модель того, чтоэлектроны и дырки располагаются на различных частичных дислокациях.
В теоретической работе Кравченко в модели двухямного потенциала с учётом ширины дефекта упаковки была хорошо описана серия линий d8 в германии [73]. Центральным моментом модели являлась задачао двух кулоновских центрах на различных частичных дислокациях, а уменьшение энергии излучения связано с увеличением ширины дефекта упаковки, т.е. разделения заряда по двумямам. Однако Изотов и др. [75] доказали экспериментально, что при растягивающих и сжимающих напряжениях появляются новые линии со стороны как больших, так и меньших энергийотносительно равновесного расщепления, а модель донорно-акцепторной рекомбинации черездве разнозаряженные частичные дислокации не могла полностью объяснить наблюдаемые экспериментальные данные.
Привлечение метода EDSR для изучения влияние ширины дефектаупаковки на положение линий дислокационной люминесценции, также подтвердило влияниерасщепления дислокаций на положение и структуру линий D4 и D3, связанных непосредственно с прямолинейными участками дислокаций [8]. Параллельно с моделью донорно-акцепторнойрекомбинации развивалась модель рекомбинации экситонного типа [77], где оба носителянаходятся на одной из частичных дислокаций, а потенциал второй играет роль возмущения[15]. Развитие идеи связанного экситона на состояниях, образованных деформационным потенциалом дислокации, началось с работ [34,78]. Для элементарных полупроводников (Si, Ge) вслучае расщепления совершенной 60° дислокации на 90° и 30° частичные дислокации, рекомбинация должна проходить на 90° из-за большего притягивающего потенциала, и, следовательно, большей вероятности образования связанного состояния [15].Для описания дислокационной линии D1 в кремнии существует также несколько моделей.
Поляризационной зависимость линий D1/D2 имела более сложное поведение нежели вслучае линий D3/D4. Обычно линии D3/D4 доминируют в образцах с низкой плотностью дис-31локаций, в то время как линии D1/D2 – в образцах с высокой плотностью дислокаций [9]. Дополнительную сложность в построении модели для D1 линии представляют различные кислородные комплексы и их взаимодействие с дислокационной структурой, которые приводят к появлению линии люминесценции в этом же диапазоне энергий (~0.8 эВ), к которым можно отнести кластеры атомов кислорода, образующие электрически активные центры, так называемыетермодоноры [79,80]. В работе [79] был предложен механизм донорно-акцепторных пар, учётэлектростатического взаимодействия которых дополнительно понижал энергию излучаемогокванта света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
