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

Бжа­лава Т.Л., Каландадзе И.Г., Харшиладзе Н.Ш., Деканосидзе Ш.В.

Грузинский технический университет, Грузия

 

Влияние фотовозбуждения на подвижность

электронов в кристаллах n-Si, облученных высокоэнергетическими протонами

 

Исследуемые образцы монокристаллов n-Si с концентрацией элект­ро­нов N=6×1013см–3, облучались протонами с энергией 25МэВ при 300K. Для исследования применяли метод фото-Холл-эффекта. В облученных образцах наб­люда­ет­ся аномально высокое значение холловской подвижности электронов, что объ­я­сняется образованием в кристалле высокопроводящих включений с омическим переходом на границе с матрицей кристалла. При некоторых темпе­ра­­турах изохронного отжига (ИО) наблюдается аномально высокое рассеяние элект­ро­нов, которое уменьшается монохроматической ИК подсветкой заданной эне­р­гий. Подсветка деионизирует электростатически взаимо­действующие вторич­ные глубокие центры, которые образуются в процессе изохронного отжига вок­руг металлических включений и экранируют их. Пока­зано, что экранирующими дефектами, которые образуются вокруг металли­ческих включении, являются А- и Е- центры.

1. Введение

В кристаллах кремния при облучении частицами высоких энергий (Е ³ 10МэВ), помимо точечных дефектов, образуются макроскопические повреждения кристаллической решетки, т.н. разупорядоченные области (РО). Ядра РО состоят из вакансий, дивакансий и различного рода вакан­си­он­ных ассоциатов, а в формировании ее периферии (оболочки) участвуют дефек­ты типа примесь + вакансия. РО в n-Si характеризуются проводимостью р-типа, а в p-Si – n-типа, т.е. они являются диэлектрическими включениями и вызыва­­­ют уменьшение эффективного значения µэфф. холловской подвижности µH, как в области фононного рас­сеяния, так и в области рассеяния на заряженных дефектах [1–5]. Авторами работ [4,5] было высказано предположение, что ядра РО сос­тоят из собственных межузельных атомов.

В работах [6–8] экспериментально показано, что в кристаллах n-Si, облучен­ных протонами с энергией 25МэВ преимущественно образуются металли­че­­ские включения с омическим переходом на границе раздела с матрицей по­лу­­­­проводника, что приводит к аномальному увеличения µэфф.. В процессе изо­х­ро­­н­ного отжига вокруг металлических включений (которые по-ви­ди­мо­му, являются скоплениями межузельных атомов) образуется непрозрачная для эле­к­­тронов проводимости оболочка из отрицательно заряженных акцеп­тор­ных ра­ди­ационных дефектов (РД), чем объясняется резкое уменьшение µэфф после от­­жи­га облученных образцов при Tотж.=110°C и в процессе естес­твенного ста­­­ре­ния в течение 30 суток при 300K. Источником неравновесных вакансий, по-ви­ди­­­мо­му, являются дефекты вакансионного типа с низкой термо­ста­биль­ностью [3,5].

В работе [8] высказано предположение, что в области высоких температур (300–200K) за экранирование металлических включений ответственны Е-цен­тры, а при низких температурах кроме Е-центров –  также А-центры, которые на­чинают заряжаться ниже 200 K. После отжига Е-центров (Tотж.=160°C) эк­ра­нирующая оболочка при низких температурах (<200K), по-видимому, состоит толь­ко из отрицательно заряженных А-центров. Если в атмосфере вокруг металлических включений действительно образуются А- и Е-центры и если именно они ответственны за резкое уменьшение µэфф. электронов в кристаллах n-Si, облученных протонами с энергией 25МэВ, то, ис­пользуя монохроматическую селективную подсветку, можно сущес­твенно повлиять на вид кривой µэфф.(T) путем деионизаций определен­ного числа этих цен­т­ров.

Целью данной работы является изучение влияния селективного фото­возбуждения, с помощью ИК подсветки, части А- и Е-центров на µH в исследуемых образцах.

2. Эксперимент

Для исследования нами были использованы монокристаллы n-Si, легированные фосфором, с концентрацией электронов  N=6×1013см–3. Кристаллы бы­ли получены методом зонной плавки. Соответственно концентрация кислорода NO»1016см–3, а плотность ростовых дислокаций  Nдис.»103–104см–2.

Для изучения роли деионизаций глубоких центров на µэфф. мы использова­­ли метод фото-Холл-эффекта: электроны с уровней данного типа возбуж­да­лись в зону проводимости светом с помощью монохроматора ИКС–21. ИК свет от од­ного монохроматора освещала только определенную часть исследуемого об­­­раз­ца. Для усиления эффекта мы кристалл освещали из двух источников, та­ким образом, что они не перекрывали друг друга. В этих условиях уровень ин­же­к­ций фотоносителей не превышала 2–3%. Температурная зависимость N и µэфф. исследовалась в интервале T=77–300K. Измере­ния проводились компен­сационным методом в магнитном поле H=10кЭ; холловский фактор прини­ма­лся равным единице. С целью осуществления перестройки атмосферы точеч­ных дефектов, образующихся вокруг металлических включенний, применялся ИО в интервале 80–400°C, шагом  10°C с охлаждением за время £10 сек; вре­мя вы­держки при фиксированной темпе­ратуре 10 мин. Погрешность измерения этих величин не превышала 10%.

3. Результаты исследований и их обсуждение

На рис.1 представлены зависимости µэфф.(T) в исходном кристалле (кр.1),  после облучения протонами с энергией 25МэВ, интегральным по­то­ком равным 8×1012см–2 (кр.2), а также после отжигов при  Tотж.=110, 160, 380 и 400°С (кр.3, 4, 7 и 8, соответственно). На кр.3 наблюдается рез­кое уменьшение µэфф. с минимумом при 180K, а на кр.4 – при 100K.

Возбуждение электронов в зону проводимости с уровня 0,44эВ (длина волны λ=2,8мкм), в образцах отожженных при Tотж.=110°C, увеличивает значение µэфф., не­м­­но­­­­го смещая его в сторону меньших температур (рис.1, кр.5). После Tотж.=160°C возбуждение электронов с уровней 0,17эВ (λ=7,3мкм), вызывает уве­личение максимума на кривой зависимости µэфф.(T) и смещает его в сто­рону более низких температур (кр.6).

Рис.1. Зависимость подвижности электронов от температуры в облученных кристаллах n-Si: 1 – до облучения; 2 – после облучения; 3, 4, 7, 8 – после отжигов при 110, 160, 380 и 400°С, соответственно; 5, 6 – при подсветке кристаллов ИК светом с энергиями фотонов 0,44 и 0,17эВ, отоженных при 110 и 160°С, соответственно.

Из рис.1 следует, что подсветка оказывает влияние на ход зависимости µэфф.(T) не только при низких температурах (~100K), в области рассеяния электронов на заря­женных центрах, но и фононах (³180K).

Энергия электрона на локальном уровне Е=ЕТ+ε, где ЕТ – тепловая энергия, а ε – энергия электростатического взаимодействия между отрицательно за­ря­женными дефектами в атмосфере вокруг металлических включений. Если Е=Еi, где Ei – энергия деионизаций центра, то электрон из локального уро­вня  пере­ходит в зону проводимости. По-видимому, в интервале 230–300K элект­ро­ны с уровня Е=Еi=0,44эВ, соответствующего Е-центрам, переходят в зону проводимости, сте­пе­нь экранирования металлических включений уменьшается и холловская под­виж­ность, согласно [6], может быть представлена выражением:

µэфф. » µH (1 + 3f1) / (1 – 6f1),                                                                     (1)

где µH – холловская подвижность неповрежденной матрице, а f1 – суммарная объ­­­е­­мная доля скоплений межузельных атомов. Как видно из формулы (1), µэфф. является возрастающей функцией объемной доли f1 включений, что мы наблюдаем на кривой зависимости µэфф.(T) в интервале 230–300K (кр.3). С пони­жением температуры Е уменьшается и Е-центры начинают заряжаться. Следовательно, увеличивается степень экранирования металлических включении. Они становятся непразрочными для электронов и, согласно [2], холловская подвижность уменьшается по закону:

µэфф. » µH (1 + f2 /4) / (1 – f2 /2),                                                                 (2)

где µH – холловская подвижность электронов в исходном образце, f2 – доля объе­ма, занимаемая диэлектрическими включениями (рис.1, кр.2).

Следует отметить, что в данном случае кроме энергии и дозы облучения, f1 и f2 являются также функциями степени экранирования металлических включений η. При увеличений η, f1 уменьшается, а f2 увеличивается и на­обо­­­рот.

На кривой зависимости µэфф.(T) в области 180K наблюдается минимум (кр.3). Существование минимума в работе [4] объясняется изме­не­ни­ем степени эк­ранирования металлических включений, входящей в зависимость от температуры, в процессе измерения. Хотя единого мнения по этому вопросу в научной литературе пока нет [7–12].

Увеличение значения µэфф. в интервале 140–230K при возбуждений электронов в зону проводимости с уровня ЕС–0,44эВ, используя ИК подсветку, объ­­я­сняется уменьшением степени экранирования атомных кластеров и соответ­ственно увеличением объемной доли металлических включений f1 (см. фо­р­му­лу (1)). В температурном интервале 230–300K Е-центры истощенны в силу электростатического взаимодействия и высокой температуры. Поэтому  ИК подсветка не влияет на величину µэфф..

А-центры в области фононного рассеяния (300–200K) практически электро­­не­йтральны и никак не могут повлиять на степень экранирования металли­чес­ких включений и соответственно на µэфф..

Что касается дивакансиям, они образуются в процессе облучения путем каскадного механизма и несомненно присутствуют в объеме кристалла. В проце­ссе ИО, в силу электростатического отталкивания между отрицательными мо­­но­вакансиями, образование дивакансий путем диффузионного механизма мало­вероятно. Поэтому в атмосфере вокруг металлических включений, по всей веро­ятности, они присутствуют в небольшом количестве.

Уменьшение µэфф. в области низких температур (130K) после полного отжи­га Е-центров (Tотж.=160°C) в работе [8] объясняется изменением зарядового сос­­то­яния А-центров. Они заряжаются отрицательно и увеличивают степень эк­­ра­нирования металлических включений. В этом температурном интервале ме­таллические включения с отрицательно заряженной оболочкой, на µэфф. вли­яют двояко: с одной стороны, как квазидиэлектрические включения, блоки­руя по­токи электронов, они уменьшают фактический объема кристалла, а с другой – в виде электрического эффекта, проявляющегося в дополнительном ра­ссея­нии электронов в поле отрицательного заряда, окружающем металлические вклю­чения. Оба эти эффекта приводят к уменьшению µэфф..

Возбуждение электронов в зону проводимости с уровня ЕС–0,17эВ с помо­щью ИК подсветки, приводит к уменьшению степени экранирования метал­ли­­ческих включений η. В результате уменьшается влияние обоих эффектов на µэфф. – имеет иесто блокирование и рассеяние потока электронов отрицательно заряжен­ны­ми включениями. Следовательно µэфф. продолжает расти почти до 100K, а ми­ни­мум, по-видимому, смещен влево, в области низких температур (Т<77K).

После полного отжига А-центров при Tотж.=400°C кривая зависимости µэфф. в интервале температур от комнатной до точки кипения азота меня­ется монотонно (кр.8).

4. Заключение

Для уточнения, какие именно радиационные дефекты ответственны за уме­ньшение  холловской подвижности µэфф. в облученных протонами с энергией 25МэВ кристаллах n-Si при различных температурах, был использован ме­тод фото-Холл-эффекта.

Исследование показало, что на селективное возбуждение Е-центров (с уровнем ЕС–0,44эВ) реагирует минимум на кривой зависимости µэфф.(T) в области 180K, а на возбуждение А-центров – минимум при 100K.

Полученные результаты подтверждают существующее мнение о том, что экранирование металлических включений в облученных протонами кристаллах n-Si в области фононного рассеяния происходит только Е-центрами, а при низких низких температурах Е- и А-центрами. После полного отжига Е-центров (Tотж.=400°C) за существование минимума на кривой зависимости µэфф. ответстве­н­­ны только А-центры.

Литература

1. B.R. Gossik. J.Appl. Phys., 1959, 30, 1214.

2. З.Ф. Коноплева, В.Л. Литвинов, Н.А. Ухин. Особенности радиационного повре­ж­дения полупроводников частицами высоких энергий. 1971, М.: Атомиздат.

3. Н.А. Ухин. ФТП, 1972, 6, 831.

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

5. В.И. Кузнецов, П.Ф. Лугаков. ФТП, 1980, 14, 1980.

6. Т.А. Пагава, Н.И. Майсурадзе. ФТП, 2010, 44, 160.

7. Т.А. Пагава, Н.И. Майсурадзе, М.Г. Беридзе.  ФТП, 2011, 45, 582.

8. Т.А. Пагава, М.Г. Беридзе, Н.И. Майсурадзе. ФТП, 2012, 46, 1274.

9. Е. В. Кучис. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. 1990, М.: Радио и связь.

10. С.В. Безлюдный, И.В. Колесников. ФТП, 1976, 10, 1964.

11. Т.А. Пагава, Л.С. Чхартишвили. УФЖ, 2003, 48, 232.

12. Л.С. Милевский, Т.М. Ткачева, Т.А. Пагава. ЖЭТФ, 1975, 69, 2132.