Ш. Н. Ибодуллаев, С. Й. Махмудов, Ш. Шомилова

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ФОТОПРИЁМНИК НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ С НАНОКЛАСТЕРАМИ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ
Ш.Н.Ибодуллаев, С.Й. Махмудов, Ш. Шомилова


Ташкентский государственный технический университет
[e-mail]

Поведение атомов марганца в решетке кремния существенно зависит от условий легирования и после диффузионного отжига. Высокотемпературная диффузия марганца в кремний не только не позволяет получить образцы со стабильным состоянием атомов марганца в решетке, но и приводит к существенной эрозии поверхности и образованию различных силицидов типа SiMn в приповерхностной области материала. Недостатки высокотемпературной диффузии существенно затрудняют использование в электронике некоторых интересных явлений, наблюдаемых в Si Поэтому нами разработан новый способ легирования - низкотемпературная диффузия. Сущность этого способа заключается в проведении диффузии начиная с комнатной температуры и поэтапным повышением ее с заданной скоростью до необходимого конечного значения. Число этапов, время выдержки на каждом этапе и конечная температура диффузии определяются параметрами исходного материала и необходимыми требованиями к параметрам полученных образцов [1-3].

Были изготовлены образцы на основе монокристаллического кремния выращенного методом Чохральского p-типа с =3 Ом·см (p=7·10¹⁵ см^-3), Исходные образцы вырезались на образцы в виде параллелепипедов размерами а=1 мм, b=4 мм, с=8 мм. Диффузия марганца проводилось из газовой фазы поэтапно ростом температуре до T=1075÷1080 C и в течение t=70÷90 минут с последующим резким охлаждением. После диффузии поверхность образцов подвергалась необходимой механической и химической обработке для удаления низкоомного поверхностного слоя.
В работе приводятся оригинальные экспериментальные результаты по исследованию фотоэлектрических свойств кремния с нанокластерами атомов марганца, позволяющие разработать достаточно чувствительные фотоприемники в области =1,5 – 8 мкм. После легирования были получены образцы p-типа с удельным сопротивлением =(3-10)10³÷10⁵ Ом·см, (при T=300 К) в зависимости от температуры легирования. Последиффузионная обработки исследование электрических свойств материалов методом Холла осуществлялись в одинаковых условиях и в одинаковых размерах образцов.
Таблица 1. Основные параметры образцов кремния с нанокластерами Mn.

Номер образцов	, Омсм	Тип проводимости	Концентрация носителей заряда, см^-3	µ, см^2/Вс	Iф / Iтем
А1	510^3	P	1,3·10^1^3	100÷120	2000
А2	6,310^3	P	1,78·10^13	70÷90	1800
А3	810^3	P	1,68·10^13	50÷70	1625
А4	9,110^3	P	2,4·10^13	120÷150	1500

Спектральная зависимость фотопроводимости образцов исследовались в области =1,5÷2 мкм. Образцы помешались в специальный криостат на основе установки ИКС-21. Чтобы обеспечить одинаковую мощность падающего ИК излучения (P=10^-5 Вт) в исследуемом диапазоне длин волн были использованы калиброванные сетчатые фильтры. А чтобы устранить попадание коротковолнового фонового света на образец был использован фильтр из полированной кремниевой пластины толщиной 380 мкм перед окном криостата.
На рисунке 1 представлена спектральная зависимость фототока в интервале =1,5÷2,9 мкм. Особенности этих результатов заключаются в том, что в исследуемом интервале спектра фототок имеет не только очень высокое значение, не характерное для примесной фотопроводимости, но и имеет скачкообразный характер изменения в области энергий фотонов h=0,45 - 0,55 эВ. Как видно из рисунка, отношение величин фототока при h=0,55 эВ к фототоку при h=0,45 эВ составляет более 17000 раз, при этом энергия фотонов меняется всего на 0,1 эВ. А дальнейшие увеличение энергии фотонов до h=1 эВ, не приводит к заметному росту фототока. Даже снятие кремниевого фильтра и использование собственного поглощения не приводит к росту фототока. Это означает, что в области h=0,65÷0,85 эВ образец обладает практически такой же фоточувствительностью, как при собственном поглощении.

Рис.1. Спектральная зависимость фотопроводимости кремния с нанокластерами атомов марганца
Особенности этих результатов заключаются в том, что в исследуемом интервале спектра фототок имеет не только очень высокое значение, не характерное для примесной фотопроводимости, но и имеет скачкообразный характер изменения в области энергий фотонов h=0,45 - 0,55 эВ. Такая аномально высокая примесная фоточувствительность позволяет использовать кремний с нанокластерами марганца при создании чувствительных ИК-приемников работающие в области =1,5÷8 мкм.
Литература

1. 
   Бахадырханов М.К., Болтакс Б.И., Куликов Г. С. Диффузия, электроперенос и растворимость при­меси марганца в кремнии // ФТТ.1972. T. 14. С. 1671-1676.
   
2. 
   Абдурахманов Б.А., Аюпов К.С., Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Бобонов Д.Т., Зикриллаев Н.Ф., Сапарниязова З.М., Тошев А. Низкотемпературная диффузия примесей в кремнии. ДАН РУз. (2010) №4. С. 32-36.
   
3. 
   Bakhadirkhanov M.K., Mavlonov G.H., Iliev X.M., Ayupov K.S., Sattarov O.E., Tachilin C.A. Specific Features of Magnetoresistance in Overcompensated Manganese Doped Silicon. Semiconductors, (2014) Vol. 48, No. 8, pp. 986–988.