On the structure and photoluminescence of dislocations in silicon

Abstract

This paper presents a comparative analysis of the structure and photoluminescence (PL) of Si containing dislocations introduced by thermal shock or ion implantation. To study the structure of dislocation cores and their interaction with point defects, we used a high-resolution transmission mode during in situ electron irradiation in the JEM4000EX operating at 400 kV. An appropriate PL spectrum was obtained on dislocated Si after electron irradiation by an external pulse gun operating at 350 kV. This resulted only in an increase in the D2 line intensity that correlated with the formation of metastable interstitial defects on {001}, {111}, and {113} planes near various dislocation cores during in situ electron irradiation, regardless of their types. However, the D1 line relates to a core structure of a shuffle Lomer dislocation consisting of 5/7 atomic rings, which occurs when two shuffle 60° dislocations (so-called S1 type [Pizzagalli et al., Phys. Rev. Lett. 103, 065505 (2009)]) combine with each other in intersecting {111} planes in plastically deformed Si or when an extrinsic Frank partial dislocation transforms into a perfect one in an ion-implanted layer.

Люминесцентные Свойства Высокоомного Кремния, Облученного Тяжелыми Ионами Высоких Энергий

“…Другим важным подходом является формирование наноструктур SiGe/Si [4]. Кроме того, большого внимания заслуживает дислокационная люминесценция в кремнии [5][6][7][8][9][10][11]. Хорошо известно, что дислокации в кристаллическом Si создают глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне.…”

“…В работе [10] была получена электролюминесценция при комнатной температуре с внешним кпд более 0.1% на дислокациях скольжения в кремнии, подверженном одноосному сжатию при 750−770 • C. Высокая эффективность достигалась за счет геттерирования и пассивации центров безызлучательной рекомбинации. Пики фотолюминесценции (ФЛ) в области 0.8−1.0 эВ наблюдались также после отжигов кристаллического Si, подвергнутого облучению электронами и ионами средних энергий [11][12][13][14][15]. Возникновение узких пиков ФЛ связывалось с введением дефектов, вакансионных кластеров.…”

“…дислокационных" пиков D1 (∼ 0.81 эВ), D2 (∼ 0.87 эВ), D3 (∼ 0.93 эВ) и D4 (∼ 0.99 эВ) (рис. 1, вертикальные пунктирные прямые) [6,8,11]. Однако в случае дислокационно-индуцированной ФЛ эти 4 пика относительно узкие и разрешаются в спектре.…”

Влияние Деформации Сжатия И Растяжения На Спектр Дислокационной Люминесценции В Кремнии

“…Как показано в [12], в случаях термического отжига имплантированного кремния при высокой температуре в условиях пересыщения кремния собственными межузельными атомами [12] или эпитаксиального роста слоев SiGe на пластине Si [13] сначала образуются петли Франка, затем часть этих петель преобразуется в совершенные призматические дислокационные петли, а многократные пересечения совершенных петель приводят к образованию трехмерной цепочки с высокой плотностью чисто краевых дислокаций (pure edge dislocations), которые и связаны с линией D1. Недавно были получены экспериментальные данные, уточняющие связь линий D1 и D2 с конкретными структурными дефектами при отжиге имплантированных образцов [14]. Авторы утверждали, что линия D1 непосредственно связана с ядром дислокации Ломера.…”

“…Представления о природе центра D2 еще менее определенны по сравнению с центром D1. Так, в уже упомянутой работе [14] авторы считают, что линия D2 связана с метастабильными межузельными микродефектами {111}, {113} и {001}, образующимися вблизи ядра дислокации.…”