Физика / 2. Физика твердого тела

 

Пагава Т. А.,  Чхартишвили Л. С., Беридзе М. Г., Майсурадзе Н. И.,

Каландадзе И. Г., Харшиладзе Н. Ш. и Бжалава Т. Л.

Грузинский технический университет, Грузия

Формирование металлических включений

в кристаллах n‑Si с помощью протонного

облучения и определение их радиуса

 

Целью работы является формирование атомных кластеров в кристаллах n‑Si с помощью их облучения протонами с энергией 25 МэВ. Облученные образцы с исходной концентрацией электронов 6 × 1013 см–3 изучались методом Холла в интервале температур 77 – 300 К. Проведенные исследования показали, что в кристаллах, облученных протонами дозой 8.1 × 1012 см–2, эффективное значение холловской подвижности электронов проводимости  резко увели­чивается. Это является прямым доказательством того факта, что в кристаллах n-Si в этих условиях преимущественно образуются относительно высокопроводящие включения с омическим переходом на границах раздела с матрицей полупроводника. Такими включениями могут быть скопления собственных и / или примесных атомов или их ассоциатов, т.е. атомные кластеры, с радиусом ~ 80 нм.

 

1. Введение

Для управления свойствами полупроводниковых материалов в основном используют процессы легирования примесями, создающими определенные электронные уровни в запрещенной зоне. Однако в ряде случаев традиционный метод легирования наталкивается на принципиальные ограничения, обусловленные отсутствием в природе примесей с подходящими свойствами. В связи с этим в последние годы активно развивается новый подход к управлению свойс­твами полупроводников, основанный на формировании в полупроводниковой матрице на­но­размерных атомных кластеров, в состав которых могут входить атомы вводимых примесей, атомы составляющих вещество элементов, а также собс­твенные точечные дефекты кристаллической решетки. Под атомным кластером под­­ра­­зу­мевается атомное обра­зование, вызывающее изменение энергети­ческого состояния его компонентов, что приводит к изменению основных свойств полупроводниковой матрицы при том, что сохраняется фазовое состояние вещества.

Процессы образования атомных кластеров поддаются контролируемому воз­действию. Одным из наиболее эффективным способом является обработка полупро­водниковых материалов высокоэнергетическими частицами, в частности – прото­нами.

Если атомные кластеры составляют основную часть материала, то изменение их размеров и концентрации приводят к изменению фундаментальных свойств полупроводника, таких как ширина запрещенной зоны, величина про­водимости, энергии оптических переходов и др. Это открывает возможности для получения новых полупроводниковых матери­алов, свойства которых могут значительно отличаться от свойств, проявляемых тем же веществом в моно­кристаллическом или аморфном состояниях. Наибольший интерес пред­ставляет реализация таких возможностей для кремния – базового материала полупроводниковой микроэлектроники [1].

При облучении высокоэнергетическими частицами в объеме кремния возникают сложные структурные повреждения, т.н. разупорядоченные области (РО), которые  состоят из вакансий и / или межузельных ато­мов [2]. Они являются причи­ной специфического изменения элек­трических и гальваномагнитных свойств материала.

Целью настоящей работы является формирование атомных кластеров в крис­та­­ллах n-Si путем их облучения протонами с энергией 25 МэВ, а также – определение их размеров.

2. Методика эксперимента

Исследовались образцы n-Si, полученные методом зонной плавки, с концен­трацией примесей фосфора 6 × 1013 см–3 и кислорода ~ 2 × 1016 см–3; плотность дислокаций роста в них не превышала 103 – 104 см–2. Исследуемые   об­раз­цы размерами 1 × 3 × 10 мм облучались протонами с энергией 25 МэВ. Плот­ность потока протонов составляла 1011 см–2 × с–1. Облученные образцы отжи­гались при температуре 90 °С в течение 10 мин. Уде­ль­ная проводимость  и коэффициент Холла  (и отсюда холловкая концентрация элек­тронов ) определялись в интервале температур 77 – 300 К. Эффективная холловская подвижность электронов вычис­лялась по формуле . В сильно компенсированных образцах энергии уров­ней дефектов оценивались по наклону кривых  зависимостей. Ошибка измерений этих величин не превышала ~ 10 %.

3. Результаты исследований и их обсуждение

В исходных образцах зависимость  в области 77 – 300 К соответствует полной ионизации мелких доноров – атомов фосфора: 6 × 1013 см–3 (рис. 1, кривая 1). После облучения протонами дозой 8.1 × 1012 см–2 температурная зависимость концентрации электронов становится соответствующей истощению акцепторных центров 0.38 эВ (рис. 1, кривая 2). В этом же образце после отжига при 90 °С и старения в течение 30 суток при 300 К на кривых зависимости  наблюдается прямолинейный участок, изображающий истощение акцепторных центров 0.13 эВ (рис. 1, кривая 3). На рис. 2 пред­ставлены соответствующие температурные зависимости холловской подвижности электронов в исходном и облученном протонами кристаллах (кривые 1, 2 и 3).

На рис. 2 кривая 1 соответствует рассеянию электронов на фононах в исходном кристалле. На кривых 2 и 3 этого же рисунка представлены кривые зависимости  в образце, облученной дозой 8.1 × 1012 см–2. Сразу после облучения хол­лов­ская подвижность заметно выше, чем в исходном образце (рис. 2, кривая 1), и проявляет тенденцию резкого увеличения с понижением температуры. Однако после низкотемпературной термообработки при 90 °С  и старения образца в течение 30 суток при 300 К кри­вая зависимости  проходит ниже, чем в исходном кристалле, и с понижением температуры резко уменьшается (к течение бразцы   размерами

реализация таких возможностей для кремния – базового материала современной полупроводниковой элеривая 3).

 

 

 

 

Рис. 1. Зависимость концентраций электронов от температуры в кристаллах n-Si до (1) и после облучения протонами с энергией 25 МэВ, дозой 8.1 × 1012 см–2 сразу после облучения (2), и после отжига при 90 °С и старения облученного образца в течение 30 суток при 300 К (3).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Зависимость холловской подвижности электронов от температуры в кристаллах n-Si до (1) и после облучения протонами с энергией 25 МэВ, дозой 8.1 × 1012 см–2 сразу после облучения (2), и после отжига при 90 °С и старения облученного образца в течение 30 суток при 300 К (3).

 

 

 

 

 

Температурная зависимость холловской подвижности электронов исходного образца свидетельствует о том, что в диапазоне температур 77 - 300 К доми­нирует фононный механизм рассеяния носителей тока. Поэтому смещение за­ви­симости  вверх или вниз после облучения нельзя объяснить изменением концентрации тех или иных рассеивающих дефектов в кристалле. Высокие значения подвижности, получаемые холловских экспериментах являются приз­наком образования в образце относительно высокопроводящих включений с оми­ческим переходом на границах раздела с матрицей полупроводника. Если для простоты предположить, что высокопроводящие включения имеют сферическую форму, то

,                                                                                           (1)

где  – холловская подвижность в матрице,  – суммарная объемная доля высокопроводящих областей скоплений дефектов [3]. В качестве параметра  используем значение хо­лловской подвижности в исходном материале, примерно состав­ляющее 1.4 × 103 см2 / B × c, а измеренное после облучения значение холловской подвижности при комнатной температуре 4.4 × 103 см2 / B × c – в качестве параметра . Тогда получаем 0.1.

Данное значение  является разумной оценкой суммарной объемной доли скоплений межузельных атомов, характерных для реальной структуры кремния при облучении легкими ионами [4].

Зная объемную долю металлических включений , можно определить их средний радиус . Количество включений в исследуемом образце есть , где  – концентрация включений (т.е. РО), а  – объем исследуемого образца. Объем, занимаемая всеми включениями равен , а средний объем включений – . С другой стороны, для включений сферической формы . Сравнивая два выражения среднего объема включений получаем, что

.                                                                                        (2)

По нашим оценкам, которые сделаны на основе данных, полученных при облучении кристаллов Si протонами с энергией 25 МэВ (при дозе ~ 1013 см–2), в объеме образца образуются скопления с концентрацией 5 × 1013 см–3. Если в формулу (2) внести значения  и  будем иметь: 80 нм.

РО вакансионного типа, которые в небольшом количестве несомненно при­сутствуют в исследуемых нами образцах, состоят из насыщенного мультива­­кан­си­он­ными комплексами ядра и оболочки, содержащей комплексы моно­вакансий с примес­ными атомами. Оболочки РО формируются при диффузии мо­новакансий ядра в матрицу и при взамодействии их с примесными атома­ми. Глубина проникновения моно­вакансий в матрицу, а следовательно и раз­меры оболочек РО определяются концен­трацией примесей в матрице [4]. В на­шем эксперименте для увеличения глубины проникновения моно­вакансий в матрицу за пределами оболочки, облученные образцы подвергались термообработке. Температура термообработки (90 °C) лимити­ро­валась температурой на­чала отжига Е-центров и РО – 100 и 200 °C, соответственно [5]. В процессах термо­обработки и старения облу­ченных образцов при 300 К, по-видимому, мо­но­­ва­кансии выходят за пределами оболочки РО и устремляются к скоплениям меж­узельных атомов, которые подобно дис­локациям, в кристаллической решет­ке вокруг себя создают упругие напряжения. Вакансии вступают в квази­хими­чес­кую реакцию с примесными атомами, которые находятся вокруг скоп­лений ме­ж­узельных атомов и здесь образуются экранирующие их при­месно-дефектные оболочки, которые состоят из А‑центров, Е-цен­тров, дива­кансий и других радиационных дефектов акцепторного типа, а также атомов легирующей (фос­фор) и фоновых (кислород, углерод) примесей. Определенная часть вакан­сий пре­терпевает анигилляцию с межузельними атомами металлических вклю­чении. При температурах комнатной и ниже большинство радиационных дефектов акцепторного типа в кристаллах n-Si заряжены отрицательно. Следовательно, скопления межузельных ато­мов становятся не прозрачными для электронов проводимости и вместе с вакан­сион­ными скоплениями представляются как  диэлектрические вклю­чения. По этой причине наблюдается в экс­перименте уменьшение эффективного значе­ния холловской подвижности основных носителей тока после старения облученных образ­цов (рис. 2, кривая 3).

На рис. 1, кривая 2 соответствует истощению Е-центров и / или дивакансий (0.38 эВ), а кривая 3 – истощению А-центров (0.13 эВ), энергия деионизаций которых изменена в силу электростатического взаимодействия между от­рицательно заря­женными центрами в примесно-дефектной оболочке, обра­зующихся вокруг РО в процессе низкотемпературного отжига и естественного старения облученных образцов при 300 К [6].

4. Заключение

Таким образом, в кристаллах n-Si в после облучения протонами с энер­гией 25 МэВ, наблюдается резкое увеличение  – эффективного значения холловской подвижности основных носителей тока. Это является прямым доказательством того, что в этих условиях в исследуемых образцах преимущественно обра­зуются металлические включения. Они должны существовать в виде наноразмерных атомных кластеров со средним радиусом ~ 80 нм. Предположительно, что в процессе отжига (при температуре 90 °C) и естественного старе­ния облученных образцов в течение 30 суток при 300 К вокруг металлических включений образуются непрозрачные для электронов проводимости отри­цательно заряженные примесно-дефектные оболочки, что приводит к резкому уменьшению эффективного значения холловской подвижности электронов. По-видимому, преимущественное образование диэлектрических или мета­лли­ческих включений зависит от энергий и типа налетающих на кристалл частиц.

 

Литература:

1. М. Г. Мильвидский, В. В. Чалдышев. ФТП, 1998, 32, 5.

2. В. И. Кузнецов, П. Ф. Лугаков. ФТП, 1979, 13, 625.

3. Е. В. Кучис. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. 1990, Москва: Радио и связь.

4. А. Л. Асеев, Л. И. Федина, Д. Хеэль, Х. Барч. Скопления междоузельных атомов в крем­нии и германии. 1991, Новосибирск: Наука.

5. Н. А. Ухин. ФТП, 1972, 6, 831.

6. Ред. Л. С. Смирнов. Физические процессы в облученных полупроводниках. 1977, Новоси­бирск: Наука.