Oxygen in Silicon Single Crystals

Симметрия термодоноров-I.
Уровни термодоноров-I в условиях одноосной упругой деформации
Совокупностью результатов, описанных в предыдущих двух параг­рафах, убедительно доказано, что основная часть ТД-I, образующихся в кислородсодержащих кристаллах Si в результате отжигов при 450°С, является двухзарядными донорами с энергиями термической иониза­ции уровней Е₁ = 0.06 и Е₂ = 0.14 эВ. Исследованиями ЭПР установле­но, что парамагнитные центры NL8, соответствующие однократно иони­зированному состоянию (ТД-0+ двухзарядных ТД-I, обладают симмет­рией С₂у-
В последнее время для изучения структуры ТД-I исследователи ис­пользуют различные методы в совокупности с внешним воздействием (одноосная упругая деформация, электрическое поле и др.), в резуль­тате которых происходит расщепление донорных уровней ТД-I, что да­ет дополнительную информацию о структуре термодоноров. Так, с по­мощью спектроскопии глубоких уровней (DLTS) и одноосного давления было установлено [108], что двухзарядный ТД-I в состоянии (ТД-0+ имеет [100]-осевую симметрию. Причем, симметрия этого дефекта с давлением понижается в следующей последовательности: T_d D_2d С₂у, что соответствует структуре межузельного типа.
Из экспериментов по ИК-спектроскопии в совокупности с одноос­ным давлением сделан вывод, что ТД-I имеет форму, протяженную в направлении [110] [109]. Не исключено, что эти данные имеют прямую связь с результатами по высокоразрешающей электронной микроско­пии [58, 196, 197], которые показывают, что кислородные преципитаты, образованные на ранних стадиях преципитации кислорода, являются линейными дефектами, вытянутыми в направлении [110].


119




На основе анализа полученных экспериментальных результатов предложены различные модели ТД-I. Однако практически все они об­ладают определенными недостатками. Наиболее совершенной моде­лью ядра двухзарядных ТД-I является структура со смещенным из узла (так называемая YLID-модель) [108, 198], либо отсутствующим атомом кремния (O₂ - ^-модель [82]). Но для подтверждения достоверности этой (либо другой) модели необходимы дополнительные данные о структуре ТД-I. Необходимую информацию можно получить путем изу­чения зависимости энергии ионизации уровней E^ и Е₂ двухзарядных ТД-I от одноосной упругой деформации. Такие опыты проведены в ра­боте [199]. При изучении влияния отжигов при 450 и 650°С на эффекты пьезосопротивления (р^ро) в образцах, содержащих ТД-I либо ТД-II, были обнаружены довольно сложные зависимости рх/р₀ от величины механического напряжения, по сравнению с аналогичными зависимо­стями для образцов Si, легированных только примесью фосфора [104, 200].
В работе [104] предположили, что такое необычное поведение пье­зосопротивления в термообработанных образцах в области давлений 5 • 10⁸-1 • 10⁹ Па связано с деформационным "вымораживанием" (для ТД-I) или "генерацией" (для ТД-II) электронов в зону проводимости за счет соответствующих изменений зазоров между донорными уровнями и дном зоны проводимости. Поэтому в условиях частичной ионизации уровней термодоноров (что имеет место при 77 К) давление будет приводить к изменению степени заполнения уровней электронами, что и вызывает соответствующие изменения р_х/р₀.
Для проверки высказанного предположения и непосредственного определения количественных изменений энергии ионизации уровней Е_л = 0.06 и Е₂ s 0.14 эВ двухзарядных ТД-I от величины и направления уп­ругой деформации в [199] использован метод, опробованный для ис­следования термодоноров [200].
Был выбран кристалл p-Si (В), выращенный по методу Чохральско­го, содержащий легирующую и сопутствующие примеси в следующих концентрациях: N_B = 1 • 10¹⁵; N_p = 2 • 10¹²; [О,] = 8.2 • 10¹⁷ и [C_s] = = 7.5 • 10¹⁶ см^-3.
Выбор кристалла p-Si определялся двумя основными требования­ми: исключить влияние легирующих мелких донорных примесей при изучении свойств ТД-I; получить возможность раздельного исследо­вания уровней Ет и Е₂ двухзарядных ТД-I в перекомпенсированных за счет термодоноров образцах.
Исследуемые образцы отжигали в течение различной длительности (до 100 ч) при 450°С. После отжига 4 ч происходила р-п-конверсия ис­ходных образцов. На рис. 43 (сплошные линии) представлены темпера­турные зависимости концентрации электронов в термообработанных образцах.
При малых временах отжига в зависимости n_e = f(1/T) хорошо наб­людается (рис. 43) только один экспоненциальный наклон с Е₂ = 136 мэВ, соответствующий глубокому уровню двухзарядных ТД-I (в этом


1 20

случае концентрация ТД-I такова, что мелкий уровень Е₁ полностью скомпенсирован бором). При больших длительностях отжига (> 15 ч) появляется также наклон, соответствующий Е₁ = 60 мэВ для (ТД-I)⁰ (при 1_ош⁼ 90 ч; Е₁ = 64 мэВ).

Таким образом, соответствующий подбор длительности отжига и температурного интервала для измерений позволяет раздельно изучать поведение донорных уровней Е₁ и Е₂ при одноосном давлении. Опыты проведены на двух сериях образцов, приготовленных из кристалла с отмеченными выше параметрами и отожженных при 450°С в течение 8 и 90 ч. Образцы первой серии измерялись в интервале 77 < Т < 300 К, а образцы второй серии измерялись в интервале 40 < Т < 91 К, где час­тично ионизированы уровни Е₂ либо Е₁ соответственно.
На рис. 48 приведено семейство температурных зависимостей кон­центрации электронов в зоне проводимости при фиксированных зна­чениях механического напряжения XII[001] для одного образца второй серии. Эти зависимости получены из данных по эффекту Холла. При этом Холл-фактор принимался равным 1.
Для проверки адекватности такого подхода, концентрация электро­нов при некоторых фиксированных значениях X была рассчитана по общей формуле для коэффициента Холла:


R =


1


^a уу +^а ху


(102)


где a_ij - компоненты тензора проводимости (X || J, Z || H, Y || [HxJ]).
Компоненты a_ij вычислялись по теории анизотропного рассеяния
[201] с учетом следующих механизмов рассеяния: на длинноволновых
акустических фононах (с константами деформационного потенциала
S_d = 0.2 и S_u = 9.3 эВ); на междолинных фононах (с константами взаи-
модействия равными константам взаимодействия с длинноволновыми
акустическими фононами, умножен-
ным на 0.15 для фонона с характе-
ристической Т₁ = 190 К и на 2 для фо-
нона с Т₂ = 630 К [202]); на ионизи-
рованных примесях.


Рис. 48. Температурные зависимости кон-
центрации электронов в образце p-Si^)
(отжиг 450°С - 90 ч) при различных одно-
осных деформациях (j||X|| [001]) (цифры у кри-
вых - величина деформации X10^-8 Па) [200]: а

• 
  зависимость энергии ионизации уровня Е₁
  ТД-I от величины деформации, полученная из
  семейства кривых данного рисунка
  

a