Sc ва Yb ни легирлашнинг Стокбаргер усули билан олинган кремнийнинг электр ва люминесцент хоссаларига таъсири Кириш

Sc ва Yb ни легирлашнинг Стокбаргер усули билан олинган кремнийнинг электр ва люминесцент хоссаларига таъсири
1.Кириш

Қайта тикланувчи энергия манбалари ичида экологик хавфсизлик ва табиий мувозанатлилик нуқтаи назаридан энг истиқболлиси қуёш нурланишини тўғридан-тўғри электр энергияга айлантириб берилишига асосланган қуёш энергетикасидир. Қуёш эрергияси тизимининг кўплаб ишлаб чиқарилишива қўлланилиши қуёш модулларининг нарҳини анча пасайтириш имконини берувчи материаллар ва технологияларни яратишни талаб этади. Кремнийли қуёш модуллари қуёш энергетикаси асосини ташкил этувчилар нарҳини пасайтириш учун чекловлар кремнийнинг юқори нарҳи бўлиб, ҳозирги вақтда унинг асосий манбаи микроэлектроникада қўлланиладиган юқори тоза кремний чиқиндиларидир. Яқинда биз томондан юқори тозаликдаги кварцитдан олинган рафинадланган металлургия кремнийи уни Стокбаргер усули билан йўналтирилган қайта кристалланиш усули билан қуёш энергияларини ўзгартиришларда қўлланиладиган арзон мультикрситалл кремний олиш учун қўлланилиши мумкин эканлигини кўрсатдик /1/. Бу усул кремний суюлтмасида кичик тақсимот коэффициенти К га эга бўлган фон киришмаларни муваффақиятли йўқотиш имконини беради.

Бироқ дастлабки темаллургия кремнийида кичик К коэффициентли киришмалар билан бирга тақсимот коэффициенти бирга яқин киришмалар мавжуддир, масалан, бор (К=0,8). Бундай киришмаларни йўналтирилган қайта кристалланиш усули билан йўқотиш мумкин бўлмайди. Бу киришмаларни кремнийдан йўқотиш муаммосини ечиш учун камёб ер элементлари (КЕЭ) нинг яхши маълум бўлган хоссаларидан – Чохраль усули (ЧУ) билан хажмий кристалларни ва суюқ фазали эпитаксия усули (СФЭ) билан эпитаксиаль қатламларни ўстиришда материалларни “тозалаш” дан фойдаланиш мумкин /2-7/. ЧУ ва СФЭ да яримўтказгичли боғланишларни суюлтмага КЕЭ ларини қўшиб “тозалаш” механизми КЕЭ ларининг фон киришмалари билан суюқ фазада шлак кўринишида қолиб, ўсувчи плёнка хажмига кирмайдиган қийин эрийдиган кимёвий боғланишлар хосил қилиш билан борадиган ўзаро таъсирлашишдан иборатдир /5,6/. СФЭ ва ЧУ дан фарқли тарзда Стокбаргер усули билан материал олишда ўстирилган материалга нисбатан киришма-КЕЭ боғланишининг ташқи фазага ажралиши юз бермайди. Бироқ киришма-КЕЭ боғланиши учун К қиймат бирдан анча фарқ қилиши мумкин бўлиб, бу йўналтирилган қайта крситалланиш жараёнида киришмаларнинг йўқотилишига олиб келишим керак бўлади.

Ушбу ишда Стокбаргер усули билан йўналтирилган қайта крсталланиш жараёнида КЕЭ ларини иттербий ва кимёвий хоссалари бўйича КЕЭ ларига яқин бўлган скандий билан легирлашнинг рафинирланган металлургия кремнийи электр ва люминесцент хоссаларига таъсири тадқиқ этилган. Бу элементлар билан легирлаш фон киришмалар концентрациясининг қуйма ўсиши йўналиши бўйлаб қайта тақсимланишига олиб келиши кўрсатилган.

1-расм. Мультикристалл кремний хос намунасининг фотосурати. 1,0 Ч 1,0 см ўлчамли фрагмент.
2. Эксперимент услуби

Ишда тадқиқ этилган намуналар Стокбаргер усули билан ўстирилган. Дастлабки шихта сифатида намуналарнинг ўсиши учун рафинирланган металлургия кремнийи қўлланилган бўлиб, у биз томондан ЗАО “Кремний” (Шелехов ш) 25 MVA руда иссиқлик печида махсус олинган . Қўлланилган металлургия кремнийидаги асосий киришмалар таркиби /1/ ишда келтирилган. Узунлиги 40 мм бўлган учта кремний қуймаси ўстирилган бўлиб, улар айнан: легирланмаган, скандий билан легирланган ва иттербий билан легирланган. Киритилган легирловчи элементлар Sc ва Yb нинг концентрацияси ни ташкил этади. Қуймалар ўсиши жараёни /8/ ишда ифодаланган.

Мультикремний қцймаси хос фрагменти 1-расмда келтирилган. Бундан кейин қуйма “туби” деб намунанинг тигель-қуйма чегараси яқинидаги томонига айтамиз, қуёма “учи” деб эса унинг қарама-қарши томонини атаймиз. Мультикремнийнинг олинган намуналари кристалл тузилмаси ўлчамлари 2-3 мм дан кичик бўлмаган муртаклар ўлчами, тўғри чизиқли муртаклараро чегаралар ва биз /8/ ишда кўрсатганимиздек, бўй дислокациясининг паст зичлиги (10⁵-10⁶см²), ҳамда тузилманинг бошқа билан характерланади чўзилган нуқсонларининг бўлмаслиги билан характерланади.

Мультикремнийнинг олинган намуналари электрофизик ва оптик усуллар билан текширилди. Солиштирма қаршилик ρ ва ўтказувчанлик тури тўрт зондли усул билан ўлчанди. Номувозанатли заряд ташувчиларнинг яшаш вақти τ ни аниқлаш учун /9/ ишда ифодаланган қурилмада ЎЮЧ-қувватни ютилиши бўйича фотоўтказувчанлик сигналининг тушишикинетикасининг контактсиз ўлчашлари олиб борилди. ЎЮЧ ли ўлчашларда номувозанатли заряд ташувчиларни уйғотиш учун импульсли яримўтказгичли лазер ЛЯИ-12 (уйғотиш импульсининг давомийлиги 0, 125 ϻs). ρ ва τ ларни ўлчашлар хона температурасида олиб борилди. Фотолюминесценция (ФЛ) қувват змчлиги 25 W/см² бўлган He-Ne-лазерини (λ=632,8nm) нурлатиш билан уйғотилди, иккиталик дифракцион монохроматор билан таҳлил қилиниб, синхрон детектирлаш тартибида “Idinburgh Insruments” фирмасининг совутувчи герменийли p-i-n-диоди билан қайд этилди. Ўлчашлар Т=5К температурада ўтказилди.

3. Эксперимент натижалари ва муҳокамаси

Солиштирма қаршилик ва қуйма ўсиши йўналиши бўйлаб номувозанатли заряд ташувчилар яшаш вақтини ўлчашлар 2-расмда келтирилган. Расмдан аниқ кўриниб турибдики, легирланганмаган намунада ρ ва τ ларнинг қийматлари ўсиш йўналиши бўйлаб кучсиз ўзгаради. Шунинг билан бирга Sc ва Yb билан легирланган намуналарда ρ ва τ лар қийматлари бир тартибдан кўпроқ катталикка ўзгаради. Қуйма “тубида” бу параметрлар қийматлари бир неча мартага кичик, “учида” эса легиорланмаган намуналарга қараганида бир неча марта каттадир. Легирланмаган намуна р-тур ўтказувчанликка эга, легирланган намуналар ўтказувчанлиги эса қуйманинг “туби” да р-турдан унинг “учида” n-тургача ўзгаради.

Легирланмаган, Yb билан легирланган ва Sc билан легирланган кремний қуймалари ФЛ ларининг ўсиш йўналиши бўйлаб турли нуқталарда ўлчанган паст температурали спектрлари 3, а-с расмларда келтирилган. Легирланмаган кремний спектрларида максимумда энергияга эга ва интенсивликнинг ярмига тенг кенгликли битта кенг полоса кузатилади. ва нинг қийматлари ўлчаш нуқтаси холатига деярли боғлиқ эмас. Кузатилаётган спектрлар кучли легирланган материалга хос /10/. Легирланган кремний спектрларида ФЛ полосалари спектроскопик параметрлари монотон тарзда ўзгаради. Қуйма “туби” дан унинг “учига” ча кўчишда полоса максимуми холати спектрнинг паст энергияли соҳасига силжийди, полоса кенглиги эса ўсади.



2-расм. Қуйма ўсиш йўналиши бўйлаб солиштирма қаршиликнинг (а) ва яшаш вақтинг (б) ўзгаришлари . Т=300К. 1,2- мос холда Sc ва Yb билан легирланган намуналар, 3-легирланмаган намуна.

/11/ ишда олинган натижаларга мос холда кучли легирланган кремнийдаги ФЛ полосаларининг паст энергетик силжиши Ферми сатҳининг, материал компенсацияси даражасининг ўсиши эвазига фон акцепторлари юзага келтирган холат зичлиги думи чуқурлигига силжиши билан тушунтирилади. Қуйма ФЛ спектрларида кузатиладиган компенсация даражасининг “туб” дан “учгача” ўсиши солиштирма қаршилик катталигининг ошиши билан яхши мос тушади. ρ нинг ўсиши билан бир вақтда номувозанатли заряд ташувчилар яшаш вақтининг ўсиши компенсация даражасининг ўсиши донорлар концентрациясининг ошиши эвазига эмас, акцепторлар концентрациясининг камайиши эвазига яхшироқ юз беради. Шуни қайд этамизки, қуйма “туби” га яқин жойда ўлчанган Yb ли намуналар ФЛ спектрларида нуқсонлар ва/ёки нуқсонлар комплекслари ва фрн киришмалари билан боғланган чуқур сатҳли марказлар орқали рекомбинацияга асосланган узун тўлқинли ФЛ нингн юзага келиши кузутилади. Биз бу нуқсонларнинг юзага келиши Sc ва Yb билан легирланган намуналардаги ρ ва τ лар боғланишларининг турли характерларда бўлишига жавобгардир, деб хисоблаймиз. Нуқсонларнинг табиати ҳозирги вақтда маълум эмас ва уларни аниқлаш учун кейинги тадқиқодларни олиб бориш зарур.

Шундай қилиб, намуналарнинг турли нуқталарида ўлчанган электрофизик ва люминесцент параметрларни таққослашлар, легирланмаган намуналарда киришмаларнинг текис тақсимланиши кузатилади, Sc ва Yb ларнинг қўшилиши эса, қуйма “туби” дан унинг “учига” ча акцепторлар концентрациясининг монотон камайишига олиб келади, деб хулоса қилишимизга имкон беради. Легирланган намуналарда киришмаларнинг қайта тақсимланиши кремний суюлтмасида киришма- Sc ва киришма- Yb комплексларнинг хосил бўлиши билан тушунтириладики, бу комплексларнинг тақсимот коэффициенти К фон киришмалар учун К нинг қийматига қараганида анча кучлироқ тарзда бирдан фарқ қилади.

Шундай қилиб, ишда Sc ва Yb лар билан легирлашнинг Стоктаргер усули билан ўстирилган кремнийнинг электрофизик ва люминесцент хоссаларига таъсири ўрганилган. Легирлаш қуйма ўсиши йўналиши бўйлаб солиштирма қаршилик ва асосий бўлмаган заряд ташувчилар яшаш вақтининг монотон ўзгаришига олиб келиши кўрсатилган бўлиб, бунда қуйма “туби” да ρ ва τ нинг қийматлари легирланмаган материалдагига қараганида бир неча марта катта, “учлари”да эса бир неча марта кичик бўлади. Материал параметрларининг кузатилган ўзгаришлари бирдан анча фарқ қилувчи кремний суюлтмасида тақсимот коэффициенти қийматига эга бўлган фон киришма-легирловчи киришма боғларининг хосил бўлиши эвазига қуйманинг ўсиш йўналиши бўйлаб фон акцепторлари концентрациясининг қайта тақсимланиши билан тушунтирилади.

3-расм. Қуйма ўсиши йўналиши бўйлаб турли нуқталарда ўлчанган легирланмаган (а), Yb билан легирланган (в) ва Sc билан легирланган (с) кремнийнинг ФЛ спектрлари. T=5K. Спектрлапр қуйма “туби” дан mm масофаларда ётувчи нуқталарда ўлчанган: I-10, II-20, III-30, IV-40.
Адабиётлар рўйхати