Анализ диффузионных профилей фосфора в легированном галлием германии методом координатно-зависимой диффузии

В связи с развитием технологии многокаскадных солнечных элементов (МК СЭ) возрос интерес к германию как к подложке и материалу первого каскада МК СЭ на основе соединений АIIIВV. Фосфор и галлий являются основными легирующими элементами в германии, поэтому интерес к процессам их диффузии проявлялся с момента начала разработок технологии изготовления p—n-переходов в германии. Дан анализ профилей распределения фосфора в германии в структуре In0,01Ga0,99As/In0,56Ga0,44P/Ge в условиях содиффузии с галлием, полученные при формировании первого каскада МК СЭ. Диффузия фосфора проходила из слоя In0,56Ga0,44P вместе с диффузией галлия в сильно легированную галлием подложку германия, что определило особенности процесса диффузии. В первую очередь совместная диффузия галлия и фосфора приводит к формированию не одного, а двух p—n-переходов. Диффузионные профили фосфора не могут быть описаны законами Фика. Распределение коэффициента диффузии фосфора DP по глубине образца определяли двумя методами: Больцмана—Матано в варианте Зауэра—Фрейзе и методом координатно-зависимой диффузии. Показано, что учет дрейфовой компоненты в методе координатно-зависимой диффузии дает значения DP, более соответствующие известным литературным данным. Тенденция увеличения DP у границы гетероструктуры и уменьшения при приближении к основному переходу наблюдается для обоих методов расчета. Поле приповерхностного p—n-перехода, направлено к границе раздела гетероструктуры, а поле основного p—n-перехода — в противоположную сторону, также, как и наблюдаемый рост DP с концентрацией электронов. Увеличение DP в области приповерхностного p—n-перехода и уменьшение в области основного p—n-перехода позволяют сделать вывод, что диффузия в гетероструктуре идет в составе отрицательно заряженных комплексов VGeP, как и в случае диффузии одного компонента.

коэффициент диффузии фосфора и галлия в германии, координатно-зависимая диффузия, вакансионная модель диффузии

1. Болтакс Б. И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Л.: Наука, 1972. 384 c.

2. Dunlap W. C. Diffusion of impurities in germanium // Phys Rev. 1954. V. 94, Iss. 6. P. 1531—1540. DOI: 10.1103/PhysRev.94.1531

3. Мерер Х. Диффузия в твердых телах. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 535 с.

4. Bracht H., Stolwijk N. A. Diffusion in Si, Ge, and their alloys. In: Diffusion in Semiconductors and Non-Metallic Solids. Subvolume A. Diffusion in Semiconductors / Ed. D. Beke. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1998. P. 2—228. DOI: 10.1007/b53031

5. Seeger A., Chik K. P. Diffusion mechanism and point defects in silicon and germanium // Phys. stat. sol. (b). 1968. V. 29, Iss. 2. P. 455—542. DOI: 10.1002/pssb.19680290202

6. Matsumoto S., Niimi T. Concentration dependence of a diffusion coefficient at phosphorus diffusion in germanium // J. Electrochem. Soc. 1978. V. 125, Iss. 8. P. 1307—1309. DOI: 10.1149/1.2131668

7. Södervall U., Friesel M. Diffusion of silicon and phosphorus into germanium as studied by secondary ion mass spectrometry // Defect Diff. Forum. 1997. V. 143–147. P. 1053—1058. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.143-147.1053

8. Brotzmann S., Bracht H. Intrinsic and extrinsic diffusion of phosphorus, arsenic, and antimony in germanium // J. Appl. Phys. 2008. V. 103, Iss. 3. P. 033508. DOI: 10.1063/1.2837103

9. Canneaux T., Mathiot D., Ponpon J.-P., Leroy Y. Modeling of phosphorus diffusion in Ge accounting for a cubic dependence of the diffusivity with the electron concentration // Thin Solid Films. 2010. V. 518, Iss. 9. P. 2394—2397. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.09.171

10. Bracht H., Schneider S., Kube R. Diffusion and doping issues in germanium // Microelectronic Engineering. 2011. V. 88, Iss. 4. P. 452—457. DOI: 10.1016/j.mee.2010.10.013

11. Claeys C., Simoen E. Germanium-based technologies. From materials to devices. Elsevier, 2007. 480 p. DOI: 10.1016/B978-0-08-044953-1.X5000-5

12. Cai Y., Camacho-Aguilera R., Bessette J. T., Kimerling L. C., Michel J. High phosphorous doped germanium: Dopant diffusion and modeling // J. Appl. Phys. 2012. V. 112, Iss. 3. P. 034509. DOI: 10.1063/1.4745020

13. Tahini H. A., Chroneos A., Grimes R. W., Schwingenschlögl U., Bracht H. Point defect engineering strategies to retard phosphorous diffusion in germanium // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. V. 15, Iss. 1. P. 367—371. DOI: 10.1039/c2cp42973j

14. Chen Wang, Cheng Li, Shihao Huang, Weifang Lu, Guangming Yan, Maotian Zhang, Huanda Wu, Guangyang Lin, Jiangbin Wei, Wei Huang, Hongkai Lai, Songyan Chen. Phosphorus diffusion in germanium following implantation and excimer laser annealing // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 300. P. 208—212. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.02.041

15. Chroneos A., Bracht H. Diffusion of n-type dopants in germanium // Appl. Phys. Rev. 2014. V. 1, Iss. 1. P. 011301. DOI: 10.1063/1.4838215

16. Souigat A., Aiadi K. E., Daoudi B. The ratio of the contributions and activation energies to phosphorus diffusion from doubly negatively charged and triply negatively charged vacancies in germanium // J. Optoelectronics and Advanced Materials. 2015. V. 17, N 7–8. P. 1070—1074.

17. Green M. A., Emery K., Hishikawa Y., Warta W., Dunlop E. D. Solar cell efficiency tables (Version 45) // Prog. Photovolt. Res. Appl. 2015. V. 21, Iss. 1. P. 1—9. DOI: 10.1002/pip.2573

18. King R. R., Bhusari D., Larrabee D., Liu X.-Q., Rehder E., Edmondson K., Cotal H., Jones R. K., Ermer J. H., Fetzer C. M., Law D. C., Karam N. H. Solar cell generations over 40 % efficiency // Prog. Photovolt. Res. Appl. 2012. V. 20, Iss. 6. P. 801—815. DOI: 10.1002/pip.1255

19. Kalyuzhnyy N. A., Gudovskikh A. S., Evstropov V. V., Lantratov V. M., Mintairov S. A., Timoshina N. Kh., Shvarts M. Z., Andreev V. M. Germanium subcells for multijunction GaInP/GaInAs/Ge solar cells // Semiconductors. 2010. V. 44, Iss. 11. P. 1520—1528. DOI: 10.1134/S106378261011028X

20. Kobeleva S. P., Anfimov I. M., Yurchuk S. Yu., Vygovskaya E. A., Zhalnin B. V. Influence of In0.56Ga0.44P/Ge heterostructure on diffusion of phosphor in germanium within the formation of multiple solar cells // Tech. Phys. Lett. 2013. V. 39, Iss. 1. P. 27—29. DOI: 10.1134/S1063785013010173

21. Kobeleva S. P., Anfimov I. M., Yurchuk S. Y., Turutin A. V. Some aspects of phosphorus diffusion in germanium in In0,01Ga0,99As/In0,56Ga0,44P/Ge heterostructures // J. Nano-Electron. Phys. 2013. V. 5, N 4. P. 04021-1—04021-3. URL: https://jnep.sumdu.edu.ua/download/numbers/2013/4/articles/jnep_2013_V5_04021.pdf

22. Кобелева С. П., Кузьмин Д. А., Юрчук С. Ю., Мурашев В. Н., Анфимов И. М., Щемеров И. В., Жалнин Б. В. Диффузия фосфора в германии на границе наногетероструктуры InGaP/Ge // Известия вузов. Материалы электрон. техники. 2011. № 2. С. 56—60.

23. Малкович Р. Ш. К анализу координатно-зависимой диффузии // ЖТФ. 2006. Т. 76, № 2. С. 137—140.

24. Zeeger K. Semiconductor physics. Berlin; Heidelberg: Springer, 2004. 548 p. DOI: 10.1007/978-3-662-09855-4