CC BY
4PPSUTLSC-2024
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
tashkent, e-e may 2004 www.in~academy.uz
КРЕМНИЙ С БИНАРНЫМИ СОЕДИНЕНИЯ АТОМОВ ФОСФОРА И
ГАЛЛИЯ
1Нурулло Ф.Зикриллаев 2Угилой Х. ^урбонова 3Феруза Э.Уракова 4Кутбиддин И. Вахабов 5Баходир
У.Алиев 6Темур Э.Рашидов
Ташкентский государственный технический университет,100095.
Узбекистан, г. Ташкент, ул. Университетская 2, e-mail: [email protected] https://doi.org/10.5281/zenodo.13382788 Аннотация: Установлено, что диффузия примесных атомов галлия и фосфора из газовой фазы в кремний обеспечивает не только компенсацию, но и частичное взаимодействие этих атомов между собой. Спектр образцов с бинарными соединениями GaP полученный на сканирующем электронном микроскопе показал, что атомы галлия и фосфора присутствуют на поверхности и приповерхности кремния после диффузии. Исследование концентрационного распределения носителей заряда по глубине показывает, что при совместной диффузии растворимость атомов галлия в кремнии увеличивается на один порядок. При этом подвижность носителей заряда (электронов) уменьшалась в 3^4 раза. На основе полученных данных определены концентрация (~1019см-3) бинарных соединений Ga-P+ и энергия химической связи (~0,62 eV). Полученные результаты могут быть связаны с электростатическим взаимодействием ионов галлия и фосфора при диффузии, из-за которого изменяется концентрационное распределение примесей, а также образуются квазинейтральные бинарные соединении Ga-P+ в решетке кремния.
Ключевые слова: кремний, диффузия, бинарные соединения, подвижность, галлий, фосфор, кристалл, прибор, технология, температура.
1.ВВЕДЕНИЕ
Формирование твёрдых растворов бинарных соединений на подложках представляет большой научный и практический интерес. Полупроводниковые бинарные соединения являются основным материалом при создании приборов и устройств в оптоэлектронике (светоизлучательные диоды, полупроводниковые лазеры) и фотоэнергетики (фотоэлементы с повышенной КПД) [1-5]. Недостатком этих материалов для широкого применения является невоспроизводимая технология получения их. Для получения требуется современные технологические дорогостоящие оборудования и большие затраты энергии, которые приводят к увеличению себестоимости разработанных приборов. Исследование электрофизических свойств кремния диффузионно-легированного примесными атомами II, III, V и VI групп в периодической таблице химических элементов показало, что в определённых технологических условиях могут образоваться бинарные соединения типа Аш Ву и Ап Ву[. Эти соединения на поверхности и приповерхности приводят к изменению фундаментальных параметров исходного кремния [6].
В данной работе приводятся результаты исследований электрофизических свойств кремния диффузионно-легированного примесными атомами фосфора и галлия.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для исследования в качестве исходного кремния был использован промощённый монокристаллический кремний марки КДБ-1 и КДБ-7 с содержанием кислорода N02 ~ (5^7)- 1017см-3.
Для диффузии был использован порошок, полученный путем измельчения чистого кристалла фосфида галлия. После необходимых механических и химических обработок образцов кремния проводилась диффузия из газовой фазы порошка фосфида галлия.
При этом примесные атомы фосфора и галлия одновременно диффундировались из нанесенного слоя из напыленного слоя в условия вакуума P~10"6 мм.рт.стб. при температуре Т = 1250 °С в течение t=2 часов. Диффузия примесные атомов галлия проводилась из газовой фазы при Т = 1250 °С в течение t=2 часов. Такой выбор диффузии примесных атомов галлия диктовался для того, чтобы получить максимальную концентрацию на поверхности и в
PPSUTLSC-2024
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
tashkent, e-8 may 2004 www.in~academy.uz
объеме кремния. Это позволило следить за изменением концентрационного распределения примесных атомов фосфора и галлия в кремнии по отдельности. После диффузии с поверхности образцов кремния снимался слой
фосфоросиликатного стекла методом химического травления в растворе НБ.
Таким образом, были получены три разные партии образцов кремния, легированные примесными атомами галлия и фосфора. Первая группа образцов кремния получена при совместном легировании примесными атомами галлия и фосфора при Т=1250 °С в течение 1=2 часов. Вторая группа образцов кремния получена легированием примесными атомами фосфора при Т= 1250 °С в течение 2 часов. Третья группа образцов получена легированием примесными атомами галлия при Т = 1250 °С в течение 1=2 часов в кремнии [7].
Рис. 1. Морфология и состав поверхности образца кремния после диффузии из порошка фосфида галлия.
Таблица 1. Элементный состав кремния диффузионно-легированного примесными атомами фосфида галлия.
Элемент Вес. % Сигма
Si 86.2 0.8
Ga 9.2 0.9
P 4.2 0.2
O 0.4 0.2
Сумма 100
На рис. 1 представлены морфология поверхности и элементный состав образцов кремния после диффузии примесных атомов галлия и фосфора, которые были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа марки TESCAN MIRA 3000.
Результаты, полученные на сканирующем электронном микроскопе для образцов кремния, легированного примесными атомами галлия и фосфора, показали, что при диффузии из порошка фосфида галлия на поверхности кремния осаждались примесные атомы галлия и фосфора в количестве от 5 до 10%.
При расчете концентрации примесных атомов фосфора и галлия (электронов и дырок) учитывалось изменение подвижности носителей заряда в зависимости от концентрации примесных атомов. До глубины 4 мкм образцов кремния, легированного совместно примесными атомами фосфора и галлия, а также легированные примесными атомами фосфора без галлия, имеют п-тип проводимости, но подвижность электронов в кремнии с бинарными соединениями ваР в 2-3 раза меньше, чем подвижность электронов в образцах, легированных только примесными атомами фосфора. Также следует отметить, что концентрация электронов в образцах кремния легированного только примесными атомами фосфора, почти на порядок больше, чем концентрация электронов в образцах кремния диффузионно-легированного совместно
примесными атомами галлия и фосфора.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
Полученные экспериментальные результаты невозможно объяснить взаимной компенсацией донорных (фосфор) и акцепторных (галлий) примесных атомов в кремнии, так как при этом атомы фосфора и галлия в кристаллической решетке кремния распределены хаотически и эти атомы пространственно разделены. Это не должно привести к повышению концентрации атомов галлия при совместной диффузии атомов галлия и фосфора в кремний. Можно предполагать, что это явление связано с взаимодействием атомов фосфора и галлия, поскольку атомы фосфора в кремнии находятся в узлах кристаллической решетки в виде положительно заряженного иона Р+ создавая дополнительные электроны в зоне проводимости концентрация которых равна ^+=п. Наличие достаточно большой концентрации положительно заряженных атомов фосфора (Р+) формирующих электрический потенциал, распределенный от поверхности по глубине образца в кремнии, что стимулирует повышение концентрации атомов галлия в процессе диффузии, которое в кремнии действуют как акцепторная примесь в виде отрицательного иона Ga-.
PPSUTLSC-2024
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
TASHKENT.MM.Y20M WWW.in-aCademy.UZ
Поэтому можно предполагать, что в результате таких взаимодействий в решетке кремния появляются донорно-акцепторные бинарные соединения, то есть квазимолекулы в виде Ga"P+. В этом случае наблюдается уменьшение подвижности электронов в кремнии, совместно легированном примесными атомами галлия и фосфора, относительно легированного только примесными атомами фосфора, хотя оба образца кремния имеют п-тип проводимости, а концентрация электронов в образцах кремния, легированного только примесными атомами фосфора, на порядок выше, чем в кремнии, легированном совместно примесными атомами галлия и фосфора (рис. 2.).
II Si M Г II Si tt" - II Si -jj-- II = Si _ и
Si M 1 1 1 1 Si II 1 1 1 1 -1T" P+ M "I ! И j ! Si 1 II
Si II I 1 1 1 1 1 Si II 1 1 1 1 II Ga" ! : = Si Ji II
Si II - Si II - Si II = Si II
Рис.2. Бинарные соединения Ga"P+ и молекулярно-нейтральные соединения
Si2Ga" P+ в кремнии.
Образование таких бинарных соединений приводит систему к более выгодному термодинамическому состоянию, чем состояние, когда атомы этих примесей удалены друг от друга, так как при образовании бинарных соединений, во-первых, существенно уменьшается концентрация носителей заряда как в зоне проводимости, так и в валентной зоне, то есть степень дефектности кристалла уменьшается. Во-вторых, при этом электрические потенциалы, создаваемые вокруг каждого иона, экранируются между собой, что опять приводит к понижению степени дефектности кристалла. Эти факторы стимулируют образование Ga"P+ бинарных соединения поскольку наличие достаточно высокой концентрации фосфора в кремнии создает более благоприятные условия для повышения концентрации вновь диффундирующих атомов галлия. В результате исследования было
установлено, что заметное повышение растворимости примесных атомов галлия происходит только тогда, когда концентрация атомов фосфора больше, чем Np> Ngs.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ результатов исследований показал, что появляется очень важная и интересная задача перед исследователями - определить оптимальные режимы технологии формирования бинарных соединений GaP с максимальной концентрацией распределения, позволяющей управлять на поверхности и приповерхности в
монокристаллическом кремнии; определить современными методами изменение ширины запрещенной зоны Eg в зависимости от распределения GaP бинарных соединений в кристаллической решетке кремния. Также требуется теоретически рассчитать и экспериментально исследовать зонную структуру кремния с бинарными соединениями GaP.
--При этом также следует отметить очень
интересные факты, связанные с образованием бинарных соединений GaP, которые находятся в узлах кристаллической решетки кремния. При образовании бинарных соединений GaP в решетке
_кремния также формируются новые элементарные -
нейтрально-молекулярные соединения соединения типа Si2GaP+ (рис.2). Такие нейтрально-молекулярные соединения в отличие от элементарной ячейки кремния обладают частично ионной и частично ковалентной связью и с о ответствующими энергетическими структурами.
При достаточно больших концентрациях образованных бинарных соединений в кремнии они существенно меняет электрофизические, фотоэлектрические и оптические свойства исходного кремния, что позволяет получить новый материал. Для объяснения физического механизма образования бинарных соединений требуется более комплексно исследование в образцах с достаточно высокой концентрацией бинарных соединений в решетке кремния.
Таким образом, был разработан диффузионный способ формирования бинарных соединений Ga-P+, что дает начало получения нового класса полупроводниковых материалов с новыми физическими свойствами и функциональными возможностями для
ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Chen K., Kapadia R., Harker, A., Desai S. Direct growth of single-crystalline III-V
PPSUTLSC-2024
PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY
TASHKENT.MM.Y20M WWW.in-aCademy.UZ
semiconductors on amorphous substrates. Nature communications, 2016, vol. 7, 10502. doi: 10.1038/ncomms10502.
[2] Бахадирханов М.К., Исамов С.Б. Физические основы формирования гетероваризонной структуры на основе кремния. Журнал технической физики, 2021, т. 91, № 11, с. 1678.
[3] Adachi S. Properties of Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors, Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2005.
[4] Бахадырханов М.К., Мавлянов А.Ш., Содиков, У.Х., Хаккулов М.К. Кремний с бинарными элементарными ячейками как новый класс материалов для будущей фотоэнергетики, Гелиотехника, 2015, № 4, с. 28.
[5] Уваров А.В., Баранов А.И., Вячеславова Е.А., Калюжный Н.А. Формирование гетероструктур GaP/Si-фотопреобразователей с помощью комбинации методов МОС-гидридной эпитаксии и атомно-слоевого плазмохимического осаждения. Письма в ЖТФ, 2021, т. 47, № 14, с. 51. doi: 10.21883/PJTF.2021.14.51189.18781
[6] Bakhadirkhanov M.K., Isamov S.B., Kenzhaev Z.T. New materials for photovoltaics and optoelectronics based on silicon with binary nanoclusters of impurity atoms with controllable parameters. Euroasian J. Semicond. Sci. Engineering, 2020, vol. 2, no. 5, p. 9.
[7] Zikrillayev N.F., Koveshnikov S.V., Turekeev Kh.S., Norqulov N., Tachilin S.A. Diffuzion of Phosphours and Gallium from a Deposited Layer of Gallium Phosphide into Silicon. Physics of the Solid State, 2022, vol. 64, no.11, pp. 587-594.
