vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2020-56-4-480-487vestifm-553Research ArticleФИЗИКАPHYSICSЛокальные колебательные моды вакансионно-кислородных комплексов в кристаллическом кремнии при комнатной температуреLocal vibrational modes of vacancy-oxygen-related complexes at room temperatureТолкачеваЕ. А.TolkachevaE. A.

Толкачева Екатерина Анатольевна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск

Ekaterina A. Tolkacheva – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

19, P. Brovki Str., 220072, Minsk

talkachova@physics.byМаркевичВ. П.MarkevichV. P.

Маркевич Владимир Павлович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Manchester M13 9PL, United Kingdom

Vladimir P. Markevich – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher, Photon Science Institute and School of Electrical and Electronic Engineering

Manchester M13 9PL, United Kingdom

V.Markevich@manchester.ac.ukМуринЛ. И.MurinL. I.

Мурин Леонид Иванович – ведущий научный сотрудник, кандидат физико-математических наук

ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск

Leonid I. Murin – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

19, P. Brovki Str., 220072, Minsk

Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюBelarusУниверситет г. МанчестерThe University of ManchesterНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of Belarus202031122020564480–487Copyright © Толкачева Е.А., Маркевич В.П., Мурин Л.И., 20202020Толкачева Е.А., Маркевич В.П., Мурин Л.И.Tolkacheva E.A., Markevich V.P., Murin L.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/553

Изотопный состав природного кремния (28Si (92,23 %), 29Si (4,68 %) и 30Si (3,09 %)) оказывает заметное влияние на форму полос ИК-поглощения, обусловленных примесными атомами кислорода. В настоящей работе предпринята попытка определить положение локальных колебательных мод (ЛКМ), обусловленных квазимолекулами 28Si-16OS29Si и 28Si-16OS30Si (OS – атом кислорода в узле решетки), для спектров поглощения, измеренных при комнатной температуре. Проведена оценка изотопических сдвигов соответствующих мод путем подгонки формы полосы поглощения для комплекса вакансия–кислород (А-центр) в облученных кристаллах Si. Изотопические сдвиги ЛКМ равны 2,2 ± 0,25 см–1 для 28Si-16OS29Si и 4,3 ± 0,9 см–1 для 28Si-16OS30Si по отношению к полосе 28Si-16OS28Si, а полуширина полосы поглощения А-центра (28Si-16OS28Si) составляет 5,3 ± 0,25 см–1. Методом ИК-спектроскопии установлено, что в температурном интервале отжига дивакансий (200–275 ºС) в облученных кислородсодержащих кристаллах кремния имеет место формирование двух полос поглощения с максимумами у 825,8 и 839,2 см–1. Комплексу дивакансия–кислород V2O, образующемуся путем захвата подвижных V2 междоузельными атомами кислорода Oi , приписана полоса у 825,8 см–1. Относительная интенсивность полосы у 839,2 см–1 существенно увеличивается в образцах, облученных нейтронами, по сравнению с образцами, облученными электронами. Сделано заключение, что эта полоса связана с комплексом тривакансия–кислород V3O, образующимся путем захвата подвижных V3 атомами Oi .

The isotopic content of natural silicon (28Si (92.23 %), 29Si (4.68 %) и 30Si (3.09 %)) affects noticeably the shape of IR absorption bands related to the oxygen impurity atoms. In the present work an attempt is undertaken to determine the positions of local vibrational modes (LVMs), related to quasimolecules 28Si16OS29Si and 28Si16OS30Si (OS – substitutional oxygen atom), for the absorption spectra measured at room temperature. An estimation of the isotopic shifts of corresponding modes is done by fitting the shape of the experimentally measured absorption band related to the vacancy–oxygen center in irradiated Si crystals. The LVM isotope shifts are found to be equal 2,2 ± 0.25 cm–1 for 28Si-16OS29Si and 4,3 ± 0,9 см–1 for 28Si-16OS30Si in relation to the basic band due to 28Si-16OS28Si, and the full width at half maximum of the A-center absorption band (28Si-16OS28Si) is 5,3 ± 0.25 cm–1. By means of infrared absorption spectroscopy a clear correlation between the disappearance of the divacancy (V2) in the temperature range 200–275 ºС and appearance of two absorption bands with their maxima at 825.8 and 839.2 cm–1 in irradiated oxygen-rich Si crystals is found. The band positioned at 825.8 cm–1 is assigned to a divacancy-oxygen defect V2O formed via an interaction of mobile V2 with interstitial oxygen (Oi ) atoms. The 839.2 cm–1 band is much more pronounced in neutron irradiated samples as compared to samples irradiated with electrons. We argue that it is related to a trivacancy–oxygen defect (V3O) formed via an interaction of mobile V3 with Oi atoms.

локальные колебательные модыкремнийИК-поглощениеизотопический сдвигизотопный составlocal vibrational modesiliconinfra-red absorptionisotopic shiftisotopic contentReferencesOxygen defect processes in silicon and silicon germanium / A. Chroneos [et al.] // Appl. Phys. Rev. – 2015. – Vol. 2. – P. 021306 (1–15). https://doi.org/10.1063/1.4922251Chroneos A., Sgourou E. N., Londos C. A., Schwingenschlögl U. Oxygen defect processes in silicon and silicon germanium. Applied Physics Reviews, 2015, vol. 2, pp. 021306 (1–15). https://doi.org/10.1063/1.4922251Pajot B., Clerjaud B. Optical absorption of impurities and defects in semiconducting crystal: Defect engineering in Czochralski silicon by electron irradiation at different temperatures / J. L. Lindstrom [et al.] // Nucl. Inst. Methods Phys. Res. B. – 2002. – Vol. 186, № 1/4. – P. 121–125. https://doi.org/10.1016/s0168-583x(01)00871-0Lindström J. L., Murin L. I., Hallberg T., Markevich V. P., Svensson B. G., Kleverman M., Hermansson J. Defect engineering in Czochralski silicon by electron irradiation at different temperatures. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2002, vol. 186, no. 1–4, pp. 121–125. https://doi.org/10.1016/s0168-583x(01)00871-0Optical Absorption of Impurities and Defects in Semiconducting Crystal: Electronic Absorption of Deep Centres and Vibrational Spectra. – Berlin; Heidelberg: Springer, 2013. – 463 p.Pajot B., Clerjaud B. Optical Absorption of Impurities and Defects in Semiconducting Crystal: Electronic Absorption of Deep Centres and Vibrational Spectra. Berlin, Heidelberg, Springer, 2013. 463 p.Thermal double donor annihilation and oxygen precipitation at around 650 °C in Czochralski-grown Si: local vibrational mode studies / L. I. Murin [et al.] // J. Phys.: Condens. Matter. – 2005. – Vol. 17, № 22. – P. S2237–S2246. https://doi. org/10.1088/0953-8984/17/22/011Murin L. I., Lindstrom J. L., Markevich V. P., Misiuk A., Londos C. A. Thermal double donor annihilation and oxygen precipitation at around 650 °C in Czochralski-grown Si: local vibrational mode studies. Journal of Physics: Condensed Matter, 2005, vol. 17, no. 22, pp. S2237–S2246. https://doi.org/10.1088/0953-8984/17/22/011Коршунов, Ф. П. Радиационная технология изготовления мощных полупроводниковых приборов / Ф. П. Коршунов, Ю. В. Богатырев // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2008. – № 4. – С. 106–114.Korshunov F. P., Bogatyrev Yu. V. Radiation technology for manufacturing powerful semiconductor devices. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2008, no. 4, pp. 106–114 (in Russian).Толкачева, Е. А. Оптические свойства и механизм образования вакансионно-кислородных комплексов V2O2 и V3O2 в облученных кристаллах кремния / Е. А. Толкачева, В. П. Маркевич, Л. И. Мурин // Физика и техника полупроводников. – 2018. – Т. 52, №. 9. – С. 973–979.Tolkacheva E. A., Markevich V. P., Murin L. I. Optical Properties and the Mechanism of the Formation of V2O2 and V3O2 Vacancy–Oxygen Complexes in Irradiated Silicon Crystals. Semiconductors, 2018, vol. 52, no. 9, pp. 1097–1103. https:// doi.org/10.1134/s1063782618090221Толкачева, Е. А. Влияние изотопного состава природного кремния на локальные колебательные моды вакансионно-кислородных комплексов / Е. А. Толкачева, Л. И. Мурин // Журн. приклад. спектроскопии. – 2013. – Т. 80, № 4. – С. 586–590.Tolkacheva E. A., Murin L. I. Influence of the isotopic composition of natural silicon on local vibrational modes of vacancy-oxygen complexes. Journal of Applied Spectroscopy, 2013, vol. 80, no. 4, pp. 571–575. https://doi.org/10.1007/s10812- 013-9807-3Londos, C. A. IR studies of oxygen-vacancy related defects in irradiated silicon / C. A. Londos, L. G. Fytros, G. J. Georgiou // Defect and Diffusion Forum. – 1999. – Vol. 171/172. – P. 1–32. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ ddf.171-172.1Londos C. A. IR studies of oxygen-vacancy related defects in irradiated silicon. Defect and Diffusion Forum, 1999, vol. 171–172, pp. 1–32. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ddf.171-172.1Pajot, B. Optical absorption of impurities and defects in semiconducting crystal: I / B. Pajot. – Berlin; Springer: Hydrogen-like centres, 2010. – 470 p.Pajot B. Optical Absorption of Impurities and Defects in Semiconducting Crystal: I. Berlin, Springer, Hydrogen-like centres, 2010. 470 p.The trivacancy and trivacancy-oxygen family of defects in silicon / V. P. Markevich [et al.] // Solid State Phenom. – 2014. – Vol. 205/206. – P. 181–190. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.205-206.181Markevich V. P., Peaker A. R., Hamilton B., Lastovskii S. B., Murin L. I., Coutinho J., Rayson M. J., Briddon P. R., Svensson B. G. The trivacancy and trivacancy-oxygen family of defects in silicon. Solid State Phenomena, 2014, vol. 205– 206, pp. 181–190. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.205-206.181

The authors declare that there are no conflicts of interest present.