Закалочные центры рекомбинации в кремнии

Время жизни неосновных носителей в кремнии как n-, так и р-типа значительно уменьшается после нагрева до температуры выше 400° и быстрого охлаждения. Эти изменения обратимы в интервале температур 400—600°, так как после коротких циклов отжига вблизи температур закалки время жизни восстанавливается. В настоящей работе описываются результаты экспериментов по определению энергии активации образования центров рекомбинации. Было также исследовано устранение этих центров при отжиге в зависимости от времени и температуры. Из экспериментальных данных следует, что в кристалле возникают закалочные центры; этими центрами могут быть несовершенства, такие, как вакансии или некоторые неустановленные пока химические примеси.



Образцы кремния в форме брусков размерами 0,25x0,25x2 см были вырезаны из монокристаллов с р—n-переходами, полученными методом изменения скорости роста. Переходы располагались посередине образцов, разделяя их на приблизительно равные n- и р-части. Образцы очищались травлением в СР-4 и горячей HNO3 и промыванием в деионизированной воде. Далее образцы нагревались в танталовой лодочке в электрической печи излучения Хоскинса, которая находилась внутри трубы из плавленого кварца «витреосил». Труба и лодочка очищались в горячей азотной кислоте и в течение нескольких часов нагревались при 1300° в атмосфере азота. Закалка осуществлялась примерно за 1 сек. путем выгрузки образцов из печи и сбрасывания их в этиленгликоль. При отжиге образцы охлаждались со скоростью 30 град/мин с температур выше 350°.

Время жизни измерялось методом «восстановления перехода», описанным ранее. Отношение удельных сопротивлений на сторонах перехода поддерживалось равным по крайней мере 100:1, так что фактически измерялось время жизни на стороне с высоким удельным сопротивлением. В настоящей работе было исследовано шесть кристаллов; их удельное сопротивление на высокоомной стороне колебалось от 5 до 25 ом*см. Одни кристаллы были выращены с вращением, а другие — без вращения. На кристаллах с удельным сопротивлением до 300 ом*см одного типа проводимости были произведены измерения спада фотопроводимости. Результаты показали, что поведение этих кристаллов при закалке и отпуске аналогично поведению кристаллов, содержащих p—n-переходы.





Образцы кремния нагревались до температур от 300 до 600° и закаливались, как описано выше. Время жизни на этих образцах измерялось при комнатной температуре до и после закалки. На фиг. 1 показаны типичные результаты, представленные в виде графика зависимости обратной величины времени жизни от 1000/Т, где T — температура нагрева под закалку. Согласно теории Холла, Шокли и Рида,

где т — время жизни, а N — плотность центров рекомбинации, введенных в данном случае при закалке. Результаты, изображенные на фиг. 1, отвечают выражению 1/т = Се-E/kT. Из наклона кривой получаем энергию активации E при образовании центров рекомбинации равной примерно 0,6 эв. Было показано, что эти результаты не зависят от следующих трех факторов; 1) длительности нагрева под закалку в исследованных нами пределах (от 3 мин. до 5 час.); 2) предшествующей истории образца, т. е. образец, закаленный с 550°, после закалки с 500°, имеет такое же время жизни, как и образец, закаленный сразу с 550° (обратный порядок температур не дает такого результата); 3) наличия или отсутствия вращения кристалла в процессе выращивания.

Никаких изменений удельного сопротивления в закаленных образцах, выращенных без вращения, не было обнаружено. В образцах, выращенных с вращением, были обнаружены изменения удельного сопротивления, подобные описанным Фуллером и др. 121. Эти изменения, состоящие в введении 10в14—10в15 доноров/см3, были обусловлены не закалкой, а термическими процессами, происходящими в интервале температур 300—500°.

Бриджерсом были также проведены измерения эффекта Холла на образцах в форме мостиков. Эффект Холла в зависимости от температуры измерялся до и после закалки. В пределах точности эксперимента закалка не вызывает изменений эффекта Холла.



Результаты экспериментов по исследованию отжига образцов, закаленных с температуры 450°, показаны на фиг. 2, где f — доля остаточных центров рекомбинации — нанесена в зависимости от температуры и времени отжига. Величина f определяется из соотношения

где — плотность центров рекомбинации в момент времени t, N0 — плотность центров до закалки, — плотность центров рекомбинации непосредственно после закалки и т — время жизни электронов или дырок, причем нижние индексы у т имеют то же значение, что и для N.

Можно установить следующие общие закономерности отжига: 1) при каждой температуре отжига происходит частичный отжиг, который имеет место в первые несколько (до 20) минут, после чего f асимптотически приближается к значению, характерному для данной температуры отжига; 2) полный отжиг происходит только при приблизительно той же температуре, с какой образец был закален; 3) при повышении температуры от T1 до в какой-либо момент в процессе отжига доля отожженных центров быстро изменяется, переходя от кривой, соответствующей T1, к кривой, соответствующей T2.

Из фиг. 2 следует, что экспериментальные точки можно довольно хорошо описать следующим уравнением:

где pT — временная константа, а CT — максимальная доля отожженных центров. На фиг. 3 показана зависимость р от температуры отжига. Из этого полулогарифмического графика следует, что энергия активации для доли отожженных центров равна приблизительно 0,8 эв.



Мы полагаем, что наблюдаемые явления связаны скорее с некоторыми процессами, происходящими внутри кристалла, чем с диффузией от поверхности. Это доказывается экспериментами, проведенными на образцах большого поперечного сечения, которые после закалки травились до значительного уменьшения их поперечного сечения. В этих экспериментах не было обнаружено различия во времени жизни при перемещении от наружной поверхности кристалла к его центру. Если бы при 450°имела место диффузия извне, то коэффициент диффузии такого процесса должен был бы быть больше 10в-4 см2/сек, что возможно, но маловероятно.

При объяснении описанных выше явлений можно также исключить из числа возможных гипотез целый ряд внутренних процессов. Гипотеза влияния примесей, образующих вокруг дислокаций атмосферы, которые при нагреве и закалке могут рассасываться и действовать как активные центры рекомбинации, не согласуется с тем фактом, что доля отожженных центров увеличивается с температурой. Если бы устранение центров происходило вследствие того, что примесные центры притягиваются обратно к дислокациям, то температурная зависимость была бы противоположна наблюдаемой.

Результаты эксперимента указывают, что элементарный процесс, связанный с термическим возбуждением, не может объяснить наблюдаемые изменения. В частности, быстрое увеличение числа центров, устраняемых, например, при 400° после неудачного отжига в течение 16 час. при 370°, требует энергии активации около 5 ав. Эта энергия активации чрезмерно высока для термически возбуждаемого процесса. Интересно добавить, что явления, наблюдаемые при отжиге кремния, качественно аналогичны явлениям, обнаруженным Логаном для германия. Отсюда следует вывод, что процесс, вызывающий наблюдаемые изменения, является, вероятно, сложным процессом, включающим взаимодействие между различными несовершенствами кристалла.