Состав кремния, совместно легированного атомами галлия и фосфора

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время многие ученные и специалисты проводят интенсивные исследования полупроводниковых материалов, содержащих нанокластеры и наноструктурированные области, для использования их в фотоэнергетике. Однако до настоящего времени в этом направлении заметных успехов еще не достигнуто [1–4]. Анализ литературных данных показал, что в основном это связано, с одной стороны, с достаточно сложной технологией формирования структуры из примесных атомов на поверхности и в объеме полупроводника, требующей дорогостоящего и сложного оборудования. С другой стороны, в качестве исходного материала используют в основном дорогие и технологически сложные в получении полупроводниковые соединения типа A^IIIB^V. Поэтому можно предполагать, что даже при достаточно успешном получении таких материалов задача широкомасштабного использования их в качестве основного материала для изготовления приборов и устройств в оптоэлектронике, фотоэнергетике и других областях науки и техники останется не решенной. Для решения этих проблем необходимо выбрать полупроводниковые материалы с более дешевой и хорошо освоенной воспроизводимой технологией получения. К таким материалам относится кремний, который является не только основным материалом электроники, но и имеет отработанную технологию получения монокристаллических пластин большого размера и воспроизводимыми электрофизическими параметрами [5–8].

Целью настоящей работы является получение бинарных элементарных ячеек в решетке кремния, исследование их структурных свойств и спектральных характеристики.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве исходного материала был использован промышленный монокристаллический кремний марки КЭФ-1, выращенный методом Чохральского, в котором концентрация фосфора составляла N_P ~4×10¹⁵ см^–3. Содержания кислорода в этих материалах было равно: $N_{O_2}$ = (4–5)×10¹⁷ см^–3, плотность дислокаций составляла порядка N_D ~10³ см^–2. Для диффузии были подготовлены прямоугольные пластинки размером ~1×5×10 мм. Диффузия примесных атомов (фосфора и галлия) в кремнии осуществлена из порошкообразной смеси фосфида галлия при температуре T = 1250°С течение t = 2 ч в вакуумированных кварцевых ампулах. После диффузии поверхность всех образцов очищали методом химического травления в растворе HF и NH₄F. Итоговые образцы обладали n-типом проводимости.

Структурные исследования кремния, легированного атомами фосфора и галлия, проводили на рентгеновском дифрактометре Ultima IV (Япония) (с использованием излучения CuK_α). Напряжение на трубке составляло 60 кВ, ток 40 мА. Диапазон сканирования 2θ (–3°–162°), скорость сканирования 2 град/мин, шаг 0.01°.

Методом комбинационного рассеяния света, благодаря закономерностям изменения спектров, можно получить информацию о составе основных элементов исследуемого объекта. Спектроскопия комбинационного рассеяния или рамановская спектроскопия является быстрым неразрушающим методом анализа, позволяющим определить ряд характеристик, в том числе элементный состав материала в зависимости от формы и положения пиков рáмановского рассеяния.

Исследование образцов проводили с использованием установки для рамановской спектроскопии SENTERRA II производства компании Bruker (Германия). Для анализа применяли полупроводниковый лазер с длиной волны излучения λ = 785 нм. В процессе измерения использовали дифракционную решетку с периодом 1200 линий/мм.

Шероховатость поверхности образцов измеряли на атомно-силовом микроскопе CoreAFM в контактном режиме.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рис. 1 представлены результаты исследования образцов кремния после диффузии примесных атомов галлия и фосфора с помощью растрового электронного микроскопа TESCAN MIRA 3. Установлено, что после диффузии примесных атомов на поверхности кремния соотношение концентрации примесных атомов галлия и фосфора составляет 1:1.

 

Рис. 1. Морфология (а) и состав (б) приповерхностного слоя образца кремния после диффузии примесных атомов фосфора и галлия по данным растровой электронной микроскопии. Элементный состав образца по результатам анализа: Si 86.2(8); Ga 9.2(9); P 4.2(2); O 0.4(2) вес. %.

 

Наличие достаточно большой концентрации положительно заряженных атомов фосфора (P⁺) практически создает электрические потенциалы, распределенные от поверхности кристалла по глубине образца в кремнии, что стимулирует повышение количества атомов галлия в процессе диффузии, которые в кремнии действуют как акцепторная примесь в виде отрицательного иона Ga^–.

На рис. 2 представлена рентгенограмма кремния, легированного атомами фосфора и галлия. Как видно, в дифракционной картине присутствуют несколько рефлексов различной интенсивности. На рентгенограмме присутствуют серии рефлексов h00 с большой интенсивностью, соответствующих разным фазам: 200_GaP c d/N = 0.546 нм и 400_Si c 0.27 нм (где d – межплоскостное расстояние, N – порядок отражения). Сравнительно узкий пик большой интенсивности 400_Si (4×10⁵ импульс/с) соответствует основной матрице из атомов кремния [9–12].

 

Рис. 2. Рентгенограмма кремния, легированного атомами фосфора и галлия. На графике отмечено, каким фазам соответствуют найденные рефлексы. Рефлексы 200_GaP и 400_Si показаны в увеличенном масштабе.

 

Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света позволяет получить информацию о связях между атомами, характерных частотах фононов, силовых константах межатомных связей, о фонон-фононном и фонон-электронном взаимодействиях. На рис. 3 представлен спектр комбинационного рассеяния в чистых образцах промышленного монокристаллического фосфида галлия марки ФГЭЧ-1-17. Анализ спектров, полученных при температуре T = 300 K, позволяет предположить, что наблюдаемые пики при значениях волнового числа ~363 и ~403 см^–1 соответствуют атомам фосфида галлия. Этот вывод подтвержден результатами, которые были получены авторами работ [13, 14].

 

Рис. 3. Спектр комбинационного рассеяния образца монокристаллического фосфида галлия. Максимумы соответствуют поперечным (1) и продольным (2) оптическим фононам.

 

На рис. 4 представлен спектр комбинационного рассеяния света образца монокристаллического кремния, легированного атомами фосфора и галлия, полученный при температуре T = 300 K, в нем присутствуют пики при 365, 404 и 515 см^–1. Сдвиг первых двух соответствующих максимумов в фосфиде галлия на частоты 363 и 403 см^–1, возможно, обусловлен влиянием комбинации поперечных акустических фононов и поперечных оптических фононов. Линия при 404 см^–1 обусловлена поверхностными фононами. Эти результаты согласуются с данными, приведенными авторами в работах [15–18].

 

Рис. 4. Спектр комбинационного рассеяния образца монокристаллического кремния, легированного атомами фосфора и галлия. Максимумы соответствуют поперечным (1) и продольным (2) оптическим фононам и взаимодействию Si–Si (3).

 

Исследование морфологии поверхности методом атомно-силовой микроскопии (рис. 5) проведено для образцов кремния, легированного атомами фосфора и галлия, а также для образцов кремния, легированного только атомами фосфора. Неровности рельефа образцов кремния связанны с концентрацией комплексов примесных атомов фосфора и галлия. Из изображений видно, что формирование островков на основе примесных компонентов на поверхности кремния, легированного атомами фосфора и галлия (рис. 5а), увеличивает средний размер шероховатости, по сравнению с образцами кремния, легированного атомами только фосфора (рис. 5б), в ~1.6 раза [19–21].

 

Рис. 5. Изображения поверхности кремния, легированного атомами фосфора и галлия (а), и кремния, легированного атомами только фосфора (б), полученные методом атомно-силовой микроскопии. Размер поля сканирования равен 10×10 мкм.

 

На рис. 6 показана спектральная зависимость тока короткого замыкания полученных структур с p–n-переходом на основе кремния, легированного только атомами фосфора (кривая 1) и легированного молекулами фосфида галлия (кривая 2). Установлено, что спектральная зависимость тока короткого замыкания в структурах, в которых были сформированы комплексы типа Ga⁻P⁺ в кристаллической решетке кремния, существенно отличается значениями тока короткого замыкания в образцах легированного только фосфором. В этом случае наблюдается существенный сдвиг длинноволновой границы чувствительности солнечного элемента, изготовленного на основе кремния, легированного фосфидом галлия в интервале энергии падающих фотонов hν = 1.12–2.70 эВ.

 

Рис. 6. Спектральная зависимость тока короткого замыкания образцов кремния, легированного только атомами фосфора (1) и легированного молекулами фосфида галлия (2).

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Экспериментальное определение концентрации примесных атомов галлия и фосфора с помощью растрового электронного микроскопа показывает значительное увеличение концентрации галлия, по сравнению с его фундаментальной растворимостью в кремнии. Такое увеличение может быть объяснено образованием комплексов, состоящих из атомов фосфора и галлия. Аналогичные результаты были получены при исследовании образцов методом рентгенофазового анализа, были зарегистрированы рефлексы, которые соответствуют комплексам фосфида галлия и атомарного кремния. Из полученных результатов исследований методом атомно-силового микроскопии установлено, что в образцах кремния, легированного атомами фосфора и галлия, увеличивается средний размер шероховатости поверхности, который связан с образованием фосфида галлия.

Таким образом, на месте однородного кристалла кремния формируется множество новых разнообразных нанокристаллов. Каждый из таких новых сформированных нанокристаллов имеет свои собственные энергетические связи, подвижности носителей заряда и зонную структуру. Это означает, что на основе исходного кремния создается новый материал, свойства и параметры которого существенно отличаются друг от друга, а самое главное – каждый из них дает свои вклад в общие электрические, фотоэлектрические и оптическое свойства [22].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе анализа методами растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, комбинационного рассеяния и спектральной зависимости тока короткого замыкания можно однозначно сказать, что после диффузии примесных атомов фосфора и галлия в кремний на поверхности образуются частицы, состоящие из атомов фосфора и галлия с соотношением 1:1. Эти результаты можно объяснить тем, что при диффузии примесных атомов фосфора и галлия образуется новая бинарная элементарная ячейка типа Si₂GaP на поверхности кристаллического кремния (рис. 7) [23, 24].

 

Рис. 7. Предложенная бинарная элементарная ячейка типа Si₂GaP в кремнии.

 

Это означает, что на основе исходного монокристаллического кремния можно получить новый материал с уникальными электрофизическими и оптическими параметрами, свойства и фундаментальные параметры которого существенно отличаются от исходного кремния и чистого соединения фосфида галлия. В этом случае предполагаемая зонная структура итогового материала представлена на рис. 8 и проявляет собой гетероваризонную структуру, при поверхности кремния появляется новый материал с большими запрещенными зонами, чем в кремнии, которые могут играть роль широкозонного окна. Поэтому такие материалы будут очень перспективны для будущего фотоэнергетики. Установлено, что в комплексах типа Si₂GaP каждый атом, участвующий в химической связи, дает свой вклад в образование нового материла с новыми электрическими, фотоэлектрическими и оптическими свойствами.

 

Рис. 8. Зонная структура кремния с обогащенными бинарными элементарными ячейками Si₂A^IIIB^V.

 

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследования проведены в рамках научного проекта-54 (фундаментальный проект) 21101836.

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что у них нет конфликтов интересов.

Об авторах

Н. Ф. Зикриллаев

Ташкентский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: zikrillaev@mail.ru
Узбекистан, 100095, Ташкент

Ч. В. Ковешников

Ташкентский государственный технический университет

Email: zikrillaev@mail.ru
Узбекистан, 100095, Ташкент

Х. С. Турекеев

Ташкентский государственный технический университет

Email: axmet-8686@mail.ru
Узбекистан, 100095, Ташкент

Б. К. Исмайлов

Ташкентский государственный технический университет

Email: zikrillaev@mail.ru
Узбекистан, 100095, Ташкент

Список литературы

Дополнительные файлы