Вплив ізовалентної домішки олова на термічне та радіаційне дефектоутворення в кремнії

Вивчення впливу легування кремнію ізовалентною домішкою олова. Процеси утворення і відпалу радіаційних і термічних дефектів. Теорія кінетики утворення термодонорів. Електрофізичні властивості кремнію при обробці. Оцінка носіїв струму при опроміненні.

Рубрика Физика и энергетика
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 12.02.2014
Размер файла 76,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.07 - Фізика твердого тіла

Вплив ізовалентної домішки олова на термічне та радіаційне дефектоутворення в кремнії

Красько Микола Миколайович

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі фізики радіаційних процесів Інституту фізики НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Крайчинський Анатолій Миколайович, провідний науковий співробітник Інституту фізики НАН України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Бабич Вілік Максимович, завідувач відділу Інституту фізики напівпровідників НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор Литовченко Петро Григорович, завідувач відділу НЦ ”Інститут ядерних досліджень” НАН України

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра радіаційної фізики

Захист відбудеться “26” жовтня 2000 р. о 1430 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 в Інституті фізики НАН України за адресою: 03650, МПС, Київ-39, просп. Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізики НАН України за адресою: 03650, МПС, Київ-39, просп. Науки, 46.

Автореферат розісланий “26” вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Іщук В.А.

1. Загальна характеристика роботи

легування кремній ізовалентний електрофізичний

Актуальність теми. Основним матеріалом сучасної і перспективної твердотільної мікроелектроніки є кремній (Si). На даний момент встановлено, що зміна електрофізичних властивостей кремнію при опроміненні або термообробці (ТО) зумовлена утворенням стабільних радіаційних або термічних дефектів. Присутність цих дефектів приводить до деградації електричних та рекомбінаційних параметрів Si і визначає поведінку приладів на його основі в реальних умовах експлуатації. Тому дослідження процесів взаємодії різних за походженням дефектів в кремнії є актуальним і перспективним як з точки зору розкриття природи процесів, так і для застосування результатів дослідження на практиці.

Дослідження впливу радіаційних і термічних дефектів на властивості Si постійно поглиблюються і розширюються. Так, детально вивчено характер змін електрофізичних параметрів Si в залежності від його домішкового складу, умов опромінення та характеру термообробок. Ідентифіковані рівні основних термічних і радіаційних дефектів, вивчена їх термічна стабільність. Досягнуто значних успіхів в розумінні будови та властивостей даних дефектів, зв'язку з вихідним домішковим фоном. Результати цих досліджень використовуються для ціленаправленої зміни властивостей напівпровідникових матеріалів і приладів. Але проблема радіаційної і термічної стабільності Si все ще далека від свого остаточного вирішення. Це пов'язано з тим, що залишаються невиясненими багато факторів, які впливають на утворення електрично активних термічних і радіаційних дефектів. В числі таких факторів - легування кремнію ізовалентними домішками (ІВД).

Хоча ІВД в напівпровідникових кристалах не є електрично активними центрами, їх вплив на властивості Si може визначатися полями пружних напружень, які виникають внаслідок невідповідності ковалентних радіусів атомів матриці Si і легуючої домішки. Останні, в свою чергу, можуть суттєво впливати на стан ансамблю точкових дефектів кристалу та процеси дефектно-домішкової взаємодії при опроміненні та ТО. Тим самим відкриваються нові можливості для використання легування ІВД як одного з методів керування властивостями Si, особливо такими важливими при виробництві та експлуатації приладів характеристиками, як термічна та радіаційна стійкість.

Незважаючи на значну кількість проведених досліджень, до цього часу процеси радіаційного і термічного дефектоутворення в кремнії з ізовалентними домішками вивчені недостатньо. Більш того, відсутнє однозначне трактування процесів, які відбуваються при опроміненні чи ТО Si, легованого ІВД. В повній мірі сказане відноситься до легування кремнію оловом (Sn). Легування кремнію важкими ізовалентними домішками має ряд принципових труднощів. Тому на даний момент відомо відносно мало робіт, присвячених вивченню опроміненого чи термообробленого кремнію з домішкою олова (Si<Sn>). Бажання отримати нову інформацію про вплив Sn на процеси термічного та радіаційного дефектоутворення в Si і передумовило мету та конкретні напрямки її реалізації в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з наступною темою науково-дослідної роботи відділу фізики радіаційних процесів Інституту фізики НАН України: “Дослідження процесів взаємодії радіаційних, технологічних і термічних дефектів в кремнії, германії, сумішах Si-Ge та в мікроелектронних приладах на їх основі” (№ держ. реєстр. 0198U001977).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи було отримати нову інформацію про механізм впливу ізовалентної домішки олова на процеси термічного та радіаційного дефектоутворення в кремнії та вияснити природу дефектів, які виникають в Si<Sn> при термообробці або опроміненні.

Основні наукові завдання досліджень:

1. Дослідження впливу ізовалентної домішки олова на кінетику генерації та відпалу низькотемпературних кисневих термодонорів (ТД-І) в монокристалах кремнію.

2. Дослідження впливу ізовалентної домішки олова на процеси радіаційного дефектоутворення в кремнії при протонному опроміненні.

3. Дослідження впливу ізовалентної домішки олова на генерацію та відпал радіаційних дефектів в кремнії при гама-опроміненні.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше експериментально встановлено, що наявність у монокристалах кремнію ізовалентної домішки олова (NSn(26,5)1018 см-3) сповільнює генерацію ТД-І. При цьому ступінь cповільнення корелює із концентрацією домішки Sn. На основі запропонованої і розробленої моделі утворення кисневмісних термодонорів (КТД) у Si запропоновано також модель механізму впливу Sn на кінетику генерації КТД. Передбачається, що сповільнення генерації КТД у Si<Sn> відбувається за рахунок утворення метастабільних комплексів OSn.

2. Вперше експериментально виявлено, що наявність у монокристалах кремнію домішки Sn в концентраціях понад 21018 см-3 приводить до значного зменшення частотного фактора та енергії активації Еа відпалу термодонорів. Показано, що даний ефект послаблюється після попередньої термообробки (ПТО) при 800 0С.

3. Вперше експериментально виявлено, що опромінення протонами n-Si<Sn>, вирощеного методом Чохральського, приводить до утворення додаткового радіаційного дефекту, до складу якого входять вакансії та атоми олова. Показано, що цей дефект є подвійним акцепторним центром. Встановлено температуру його відпалу.

4. Вперше експериментально встановлено, що константа деградації часу життя нерівноважних носіїв заряду k в n-Si<Sn> при гама-опроміненні визначається дефектами VSn, які стають основними рекомбінаційними центрами при кімнатній температурі із збільшенням концентрації олова.

5. Вперше експериментально виявлено, що дефекти, які утворюються при відпалі гама-опромінених зразків, є більш стабільними в n-Si<Sn> в порівнянні з дефектами, які утворюються в зразках без домішки Sn. При збільшенні концентрації домішки олова зростає і концентрація таких стабільніших дефектів.

6. Вперше показано, що наявність піку “від'ємного” відпалу часу життя носіїв струму в інтервалі температур 200-360 0С при ізохронному відпалі зумовлено утворенням і відпалом комплексів V2O (в n-Si без Sn) або одночасним утворенням і відпалом V2O і V2Sn (в n-Si<Sn>). Визначено основні параметри, які характеризують дані дефекти.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати є перспективними як з точки зору фундаментальної науки, так і прикладної. Результати досліджень можуть бути використані в технології вирощування напівпровідникових кристалів, для вдосконалення радіаційної технології у виробництві напівпровідникових приладів, а також для прогнозування зміни основних параметрів кремнію і мікроелектронних приладів на його основі в реальних умовах експлуатації при термо- та радіаційних впливах.

Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів, викладених у дисертації, полягає у виконанні експериментальних досліджень, їх обробці, участі в теоретичному аналізі та написанні статтей. В роботах, виконаних разом із співавторами і включених до дисертації, автор визначив зміну параметрів відпалу кисневих термодонорів, взяв участь в розробці математичної моделі утворення термодонорів і моделі впливу олова на процеси їх генерації, аналізі спектрів DLTS зразків кремнію, опромінених протонами. Провів аналіз впливу ізовалентної домішки олова на поведінку часу життя нерівноважних носіїв струму в кремнії при гама-опроміненні та подальшому ізохронному відпалі. Висновки всіх розділів, загальні висновки та положення сформульовані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: 11 Міждержавній конференції з фізики радіаційних явищ та радіаційному матеріалознавству (310 вересня 1998 р., м. Алушта); Міжнародній школі-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників (2330 червня 1999 р., Дрогобич); 8-th International conference of Gettering And Defect Engineering in Semiconductor Technology GADEST'99 (25-28 September, 1999, Hцor, Sweden); General Scientific Meeting (25-26 May, 2000, Leuven, Belgium); 14 Міжнародній конференції з фізики радіаційних явищ та радіаційному матеріалознавству (1217 червня 2000 р., м. Алушта); 2-th European Network on Defect Engineering of Advanced Semiconductor Devices ENDEASD Workshop (2729 Juny, 2000, Kista-Stockholm, Sweden).

Публікації. Основний зміст роботи є узагальненням наукового доробку автора, результати якого опубліковані у 11 статтях, матеріалах і тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, заключної частини та списку використаної літератури. Зміст роботи викладено на 107 сторінках друкованого тексту, ілюстрованого 19 рисунками та 10 таблицями. Список літератури містить 137 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність виконаних досліджень, конкретизовані основні наукові завдання, викладені наукова новизна та практична значимість отриманих результатів. Відзначено особистий внесок здобувача, відомості про апробацію, а також кількість публікацій за темою дисертації.

В першому розділі представлено огляд основних літературних даних про вплив термообробок і опромінення на електрофізичні властивості кремнію, легованого різними ізовалентними домішками. Показано, що ці дані переконливо свідчать про значний вплив ізовалентних домішок на термічне та радіаційне дефектоутворення в кремнії. Проте наявні експериментальні результати мають нерідко суперечливий, а у випадку домішки олова і неповний, характер.

Також розглянуто електрично-активні комплекси в кисневмісному термообробленому кремнії. Особливу увагу приділено ролі мікронеоднорідного розподілу домішки кисню та кисневмісних дефектів в монокристалах кремнію, вирощеного методом Чохральського.

На цій основі сформульована постановка задачі дослідження: дослідити вплив ізовалентної домішки олова на процеси утворення та відпалу термічних і радіаційних дефектів в кремнії. Були визначені конкретні експериментальні завдання.

В другому розділі описано експериментальні методики, що використовувались в даній роботі, і викладено методики обробки експериментальних даних. Робота виконана на зразках промислового тигельного бездислокаційного n-кремнію, а також спеціально вирощених монокристалах n-типу, додатково легованих оловом. В якості контрольних зразків також використовувались p+n переходи промислових діодів на основі n-кремнію зонної плавки. Зразки опромінювали -квантами 60Со на установці MPX--25M при густині потоку 1011 см-2с-1 в інтервалі доз (0,16-4,16)1015 см-2 при 30 0С і протонами з енергією 61 МеВ при густині потоку 108 см-2с-1 в інтервалі доз (15)1011 см-2 при кімнатній температурі на прискорювачі протонів. Всі термообробки проводились в повітряній атмосфері або атмосфері аргону. Охолодження зразків проводилось загартуванням на азбесті.

Вимірювання спектрів ІЧ-поглинання проводились на спектрометрі UR-20; часу життя нерівноважних носіїв струму - по релаксації нерівноважної фотопровідності; концентрацій носіїв струму - чотиризондовим методом й із вольтфарадних характеристик бар'єрів Шоткі; енергій перезарядки глибоких рівнів, їх концентрацій і перерізів захоплення ними носіїв заряду - методом ємнісної спектроскопії глибоких рівнів (DLTS); концентрацій домішки олова - методом вторинної іонної масспектроскопії (SIMS).

В третьому розділі представлено результати дослідження особливостей кінетики генерації і відпалу кисневих термодонорів (КТД) в n-кремнії, легованому оловом (n-Si<Sn>).

Використовувались зразки n-Si (вихідна концентрація вільних електронів n0 = (610)1013 см-3, леговані Sn в процесі вирощування із розплаву) двох груп з концентрацією олова NSn=1,71018 см-3 (Sn-1) і NSn=6,51018 см-3 (Sn-2). Концентрації фонових домішок кисню NO для Sn-1 становили (6,57)1017 см-3, для Sn-2 (66,5)1017 см-3; вуглецю NC - менше 51016 см-3 для обох груп зразків. В якості контрольних були використані зразки промислового n-Si, вирощеного методом Чохральського, з подібними характеристиками.

В експерименті реєструвалися залежності зміни концентрації вільних електронів n у зразках досліджуваних матеріалів від тривалості ізотермічної термообробки (ТО) при 450 0С (під час генерації КТД), а потім від температури при ізохронній ТО (під час відпалу КТД). Концентрація вільних електронів n визначалася з вимірювань питомого електроопору зразків чотиризондовим методом при кімнатній температурі. Значення величини рухливості електронів приймали рівним 1350 см2/Вс. Частину досліджуваних кристалів піддавали після вирощування попередній ТО (ПТО) при 800 0С протягом 30 хвилин.

Наведено залежності сумарної концентрації КТД NТД від часу t ТО при 4500С. Сумарну концентрацію усіх видів КТД, що формуються при 450 0С в зразках з різною концентрацією домішки олова, визначали із співвідношення NТД = nТО n0, де n0 різниця концентрацій всіх донорів і акцепторів (у тому числі і ростових КТД) у вихідних зразках, а nТО значення після чергового етапу ТО. Як видно з рисунка, генерація КТД у Si <Sn> істотно сповільнена в порівнянні з контрольним матеріалом. При цьому ступінь сповільнення корелює з концентрацією домішки Sn. Попередня ТО при 800 0С пригнічує генерацію КТД у всіх зразках.

Тут показано залежності швидкостей генерації КТД (dNТД/dt ) від часу термообробки. Видно, що, по-перше, темп генерації КТД в Si <Sn> вже в початковий момент нижчий, ніж у контрольному Si, а, по-друге, в Si <Sn> якісно відрізняється кінетика генерації КТД на самих ранніх етапах ТО. Саме ці етапи найбільш чутливі до присутності в кристалі так званих зародків КТД [1,2]. Спостерігається три типи поведінки dNТД/dt після початку ТО: 1) зменшення з виходом на стаціонарне значення (Sn-2); 2) збільшення з виходом на стаціонарне значення (Sn-1); 3) різке збільшення, потім плавний спад із виходом на стаціонарне значення, близьке до початкового (NSn = 0). Попередня ТО при 800 0С, поряд із значним зменшенням початкового темпу генерації КТД, приводить залежності dNТД/dt(t) в усіх зразках до другого типу.

Для вивчення впливу домішки Sn на кінетику відпалу КТД-450 реєструвалися залежності NТД = nТО - n0 від температури ізохронного відпалу, де nТО концентрація вільних електронів у зразках після чергового етапу ізохронного відпалу протягом 5 хвилин в інтервалі температур 500570 0С із кроком 5 0С. Результати наведено в одному масштабі. У табл.1 наведено значення енергії активації (Eа) і частотного фактора (), визначені з експериментів по відпалу КТД-450, для кристалів з різною концентрацією олова без ПТО. З табл.1 видно значне зменшення параметрів Eа і із збільшенням концентрації Sn. Дифузія атомів кисню є основним чинником, що лімітує як генерацію, так і відпал КТД в Si [3]. Тому даний результат може означати прискорення дифузії Oі при введенні домішки Sn. Таке прискорення може бути результатом збільшення внутрішніх пружних напружень в кристалі внаслідок введення ІВД з більшим ковалентним радіусом. Вплив домішки Sn на параметри відпалу КТД значно зменшується після ПТО-800. У табл.2 приведено аналогічні параметри, отримані при відпалі КТД в зразках, попередньо термооброблених при 800 0С.

Видно, що енергія активації і частотний фактор відпалу після ПТО-800 збільшуються в усіх зразках, а різниця між легованими і нелегованими оловом матеріалами зменшується. Вплив ПТО на відпал КТД детально розглянуто в [2]. Використовуючи висновки цієї роботи, можна стверджувати, що домішка олова впливає на дифузію кисню головним чином в областях з його підвищеною концентрацією - мікрофлуктуаціях концентрації домішки кисню (МФК). Це може означати корельований розподіл домішок олова і кисню в кремнії. Тобто в МФК підвищеною є не тільки локальна концентрація кисню, але і олова.

Далі було запропоновано модель утворення КТД в кремнії. У якості базових використано уявлення моделі [3] про КТД як комплекси, що містять чотири атоми кисню.

Термодонори утворюються одночасно гетерогенним і гомогенним механізмами. Генерація ТД в першому випадку відбувається в результаті захоплення кисню на зародки, а в другому внаслідок комплексоутворення із дисперсних атомів кисню, які знаходяться у МФК. Кінцевий вираз, що дозволяє описати кінетику генерації КТД в кремнії на початкових етапах з врахуванням як гетерогенного (перший доданок), так і гомогенного (другий доданок) механізмів утворення КТД має вигляд.

Звідси ясно, що форма залежності визначається співвідношенням ефективності гетерогенної і гомогенної складових. Це пояснює різноманіття цих форм для кристалів із різною тепловою передісторією [1,2]. Після ПТО домінує гомогенний механізм. Використання (1) для кількісного аналізу експериментальних даних по генерації КТД дозволяє зробити висновок, що ПТО-800 зменшує не тільки загальну концентрацію зародків, але і локальну концентрацію кисню в МФК.

На основі розробленої моделі утворення КТД запропоновано також модель механізму впливу Sn на кінетику генерації КТД у Si. Передбачається, що вплив домішки олова на кінетику генерації КТД в Si при 450 0С може бути пояснено уповільненням як гомогенної так і гетерогенної преципітації кисню за рахунок утворення метастабільних комплексів кисень-олово.

А стаціонарна швидкість генерації термодонорів:

Видно, що збільшення концентрації Sn повинно приводити до зменшення стаціонарної швидкості генерації КТД. Саме це і спостерігається в експерименті.

У даному розгляді враховано вплив домішки Sn тільки на кінетику утворення комплексів О4. Насправді виникнення і розпад комплексу OSn може вплинути і на утворення комплексів О2 і О3, які ще не є термодонорами. Врахування цих обставин істотно ускладнює розв'язок, однак не змінює його якісно.

У початковий момент генерації КТД. Це означає, що початкова швидкість генерації не залежить від вмісту олова, що і спостерігається в експерименті (рис.2, кр.2 і 3). Значно менше значення початкових швидкостей генерації КТД в Si<Sn> у порівнянні з контрольним матеріалом може бути зумовлено різним вмістом зародків.

У четвертому розділі представлено результати дослідження радіаційного дефектоутворення в n-типі Si<Sn> при опроміненні високоенергетичними протонами (Н+).

Використовувалися зразки двох груп з концентрацією олова NSn=1,71018 см-3 (Sn-1) і NSn=6,51018 см-3 (Sn-2) (характеристики даних зразків описані вище). В якості контрольних зразків були використані p+n переходи промислових діодів на основі n-Si зонної плавки (n-Si-FZ) без домішки Sn. Генерація радіаційних дефектів (РД) проводилась опроміненням H+ з енергією 61 МеВ і густиною потоку 108 см-2с-1 в інтервалі доз (15)1011 см-2 при кімнатній температурі. Контроль за накопиченням РД здійснювали методом DLTS.

Після опромінення протонами з'являється ряд піків на спектрах як n-Si<Sn> так і n-Si-FZ зразків.

Позначення дефектів, енергії активації перезарядки Еа, їх концентрації N та швидкості введення .

На спектрах FZ діодів спостерігаються три піки добре відомих РД: А-центрів (Е2), двозарядного V2--/- (E3) і однозарядного V2-/0 (E5) станів дивакансій.

Опромінення протонами Чохральського n-Si<Sn> приводить до утворення двох додаткових радіаційних рівнів (Е4 і Е6) з енергією активації перезарядки 0,290.01 і 0,610.02 еВ (табл.3) нижче зони провідності відповідно. Той факт, що вони з'являються тільки в Si<Sn>, може означати, що ці центри включають атоми олова. Це підтверджується і тим, що їх концентрації зростають в матеріалі з більшою концентрацією Sn (табл.3). Крім того, це є комплекси точкових дефектів, які включають також вакансію. Доказом про можливу участь вакансій в складі даних РД є той факт, що дефекти Е4, Е5 і Е6 мають подібні концентраційні профілі.

Така поведінка концентраційних профілів спостерігалась при генерації V2 в n-Si і пояснювалась із розгляду профілю дифузії вакансій поблизу поверхні [4]. Встановлено, що температура відпалу даних РД становить приблизно 120 0С. Подібність концентрацій, одночасний відпал цих РД, відсутність польової залежності для положення енергетичних рівнів і більш високе значення n для глибшого (прямі експерименти по визначенню перерізу захоплення для електронів (n) на рівень Е6 дають значення n10-15 см2, а значення n для Е4 на два порядки менше) свідчить про те, що ці два рівні належать одному і тому ж подвійному акцепторному центру.

Виявлено (див. табл.3), що легування Si ізовалентною домішкою Sn приводить до зменшення ефективності утворення основних РД А-центрів і V2, які виникають при протонному опроміненні.

Слід зазначити, що пік Е1, який відповідає глибшому рівню ростових КТД, спостерігається в Sn-1 до і після опромінення Н+ (рис.5). При чому концентрації ростових термодонорів до і після опромінення практично не відрізняються. Це підтверджує дані про відсутність взаємодії між КТД і первинними РД [5].

В п'ятому розділі представлено результати дослідження впливу ІВД Sn на поведінку часу життя нерівноважних носіїв струму (ННС) в n-Si при опроміненні -квантами та подальшому ізохронному відпалі.

Використовувалися ті ж групи зразків, що і при попередніх дослідженнях. Опромінювання проводилось -квантами 60Со при 30 0С з в інтервалі доз (0,16-4,16)1015 см-2. Час життя ННС визначався по релаксації нерівноважної фотопровідності в умовах низького рівня іонізації. З експериментальних дозових залежностей величини ()-1 визначали константу деградації часу життя.

Проведені оцінки показали, що основними рекомбінаційними дефектами при кімнатній температурі в -опромінених зразках кремнію n-типу, як легованих оловом (NSn1,71018 см-3), так і нелегованих оловом, є Е-центри. Тільки при концентрації олова NSn=6,51018 см-3 основними рекомбінаційними дефектами є комплекси VSn. З цієї точки зору стає зрозумілим менше значення k в зразку з меншою концентрацією Sn. Атоми олова, будучи ефективним стоком для V, створють конкуренцію утворенню основних центрів рекомбінації Е-центрів.

Встановлено (рис.8), що відпал -опромінених зразків n-Si без Sn до 360 0С приводить до відновлення часу життя носіїв струму майже до вихідного значення. В той же час відпал зразків n-Si<Sn> до тієї ж температури показує, що відпалюються не всі дефекти, які обумовлюють зміну при гама-опроміненні. В Sn-1 (кр.2) на 55 60 %, а в Sn-2 (кр.3) стає навіть трохи меншим, ніж після опромінення. Відпал Е-центрів і VSn-центрів в n-Si не приводить до зміни часу життя носіїв струму при кімнатній температурі. Це свідчить про те, що в результаті їх відпалу утворюються РД з подібними рекомбінаційними характеристиками.

Показано, що наявність піку “від'ємного” відпалу часу життя носіїв струму (де Тчас життя ННС після кожного кроку відпалу) в інтервалі температур 200-360 0С при ізохронному відпалі зумовлено утворенням і відпалом комплексів V2O (в n-Si без Sn) або одночасним утворенням і відпалом V2O і V2Sn (в n-Si<Sn>). Визначено основні параметри, які характеризують дані дефекти. Комплекси V2O і V2Sn утворюються при відпалі дивакансій, які самі дають незначний вклад в рекомбінацію через малий переріз захоплення дірок. При цьому перерізи захоплення нерівноважних дірок цими центрами відповідно дорівнюють 310-13 і 210-13 см2.

В заключній частині наведено перелік головних результатів досліджень та загальні висновки.

Висновки

Експериментально встановлено, що наявність у монокристалах електронного кремнію, вирощеного методом Чохральського, ізовалентної домішки олова (NSn(26,5)1018 см-3) приводить до наступного:

сповільнює генерацію КТД-І. При цьому ступінь сповільнення корелює із концентрацією домішки олова;

значно зменшує частотний фактор та енергію активації відпалу КТД-І (NSn21018 см-3). Зменшення даних параметрів може означати прискорення дифузії атомів кисню під дією внутрішніх пружних напружень у кристалі, викликаних домішкою олова. Вплив олова на енергію активації відпалу ТД значно послаблюється після ПТО при 800 0С. Однією з причин цього може бути корельований розподіл в кристалі атомів домішок олова і кисню;

зменшує ефективність утворення основних вакансійних дефектів при опроміненні зразків протонами з енергією 61 МеВ, що зумовлено утворенням додаткового радіаційного дефекту, до складу якого входять вакансії та атоми олова. Цей дефект є подвійним акцептором з енергіями активації перезарядки 0,290,01 і 0,610,02 еВ. Температура його відпалу становить приблизно 120 0С;

константа деградації часу життя k в n-кремнії при гама-опроміненні має складну залежність від концентрації домішки олова. Це пояснюється тим, що радіаційні дефекти VSn, які утворюються при гама-опроміненні зразків, стають основними рекомбінаційними центрами при кімнатній температурі із збільшенням концентрації олова;

дефекти, які утворюються при відпалі гама-опромінених зразків, є більш стабільними в порівнянні з дефектами, які утворюються в контрольних (без домішки олова) зразках. Із збільшенням концентрації олова зростає і концентрація таких стабільніших дефектів.

Показано, що наявність піку “від'ємного” відпалу часу життя нерівноважних носіїв струму в інтервалі температур 200360 0С при ізохронному відпалі гама-опромінених зразків n-кремнію зумовлено утворенням дефектів V2O (в контрольних зразках) або одночасним утворенням дефектів V2O і V2Sn (в зразках з оловом), які є ефективними рекомбінаційними центрами. Перерізи захоплення дірок цими центрами відповідно дорівнюють 310-13 і 210-13 см2.

Запропоновано і побудовано модель утворення кисневмісних термодонорів (КТД-І) в кремнії, яка враховує як гетерогенний (захоплення атомів кисню на наявні в кристалі зародки) так і гомогенний (почергове об'єднання 4-х дисперсних атомів кисню) механізми утворення термодонорів. Показано, що концентрація атомів кисню, яка бере участь в таких реакціях, значно перевищує середню. Це підтверджує отримані іншими авторами результати про мікронеоднорідний розподіл кисню в кремнії. Показано, що ізовалентна домішка олова в кремнії впливає як на гетерогенний, так і на гомогенний процеси утворення термодонорів за рахунок утворення метастабільних комплексів OSn. Результатом такого впливу є значне зменшення темпу генерації кисневмісних термодонорів. Попередній відпал зразків при 800 0С приводить до зникнення зародків і зменшення концентрації кисню в мікрофлуктуаціях.

Основні результати дисертації викладено в публікаціях

Неймаш В.Б., Крайчинський А.М., Красько М.М., Пузенко О.О., Сімон Е., Клайз К., Блондiл А., Клаус П. Вплив домішки олова на радіаційне дефектоутворення в n-кремнії при 61 МеВ протонному опроміненні // УФЖ.- 2000.- Т.45, В.9.- С.1121-1125.

Неймаш В.Б., Крайчинський А.М., Красько М.М., Пузенко О.О., Кабалдін О.М. Вплив домішки олова на генерацію й відпал низькотемпературних термодонорів в n-Si // УФЖ.-2000.- Т.45, В.3.- С.342-349.

Неймаш В.Б., Пузенко Е.А., Кабалдин А.Н., Крайчинский А.Н., Красько Н.Н. О природе зародышей для образования термодоноров в кремнии // ФТП.- 1999.- Т.33, В.12.- С.1423-1427.

Неймаш В.Б., Пузенко О.О., Кабалдін О.М., Крайчинський А.М., Красько М.М. Про деякі особливості генерації та відпалу термодонорів в кремнії // УФЖ.- 1999.- Т.44, В.8.- С.1011-1016.

Неймаш В.Б., Крайчинский А.Н., Кабалдин А.Н., Цмоць В.М., Пузенко Е.А., Красько Н.Н. Роль микронеоднородного распределения стоков для компонентов пар Френкеля в радиационной деградации свойств монокристаллического кремния // ВАНТ.- 1999.- B.3(75).- C.40-48.

Simoen E., Claeys C., Neimash V.B., Kraitchinskii A., Kras'ko M., Puzenko O., Blondeel A., Clauws P., Koops G.E.J., Pattyn H. Tin-related deep levels in proton-irradiated n-type silicon // Proc. 2-st ENDEASD Workshop.- Kista-Stockholm (Sweden).- 2000.- P.147-156.

Неймаш В.Б., Красько Н.Н., Крайчинский А.Н., Цмоць В.М. Образование радиационных и термических дефектов при “горячем” электронном облучении кремния // Труды 14 Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению.- ВАНТ.- 2000.- С.315.

Крайчинський А.М., Красько М.М., Неймаш В.Б., Шпінар Л.І. Рекомбінаційні властивості гама-опроміненого n-кремнію, легованого оловом // Труды 14 Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению.- ВАНТ.- 2000.- С.329-330.

Simoen E., Claeys C., Neimash V.B., Kraitchinskii A., Kras'ko M., Puzenko O., Blondeel A., Clauws P., Koops G.E.J., Pattyn H. Identification of Sn-V related acceptor levels in irradiated tin-doped n-type silicon // General Scientific Meeting.- Leuven (Belgium).- 2000.- CM41.

Неймаш В.Б., Красько М.М., Крайчинський А.М., Кабалдін О.М., Пузенко О.О., Цмоць В.М. Вплив домішки олова на час життя неосновних носіїв струму в n-Si при генераціїї та відпалі радіаційних дефектів // Праці Міжнародної школи-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників.- Дрогобич (Україна).- 1999.- C.23.

Неймаш В.Б., Крайчинский А.Н., Кабалдин А.Н., Цмоць В.М., Пузенко Е.А., Красько Н.Н. Роль микронеоднородного распределения стоков для компонентов пар Френкеля в радиационной деградации свойств монокристаллического кремния // Тезисы 11 Межгосударственной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению.- ВАНТ.- 1998.- B.3(69), 4(70).- C.43-44.

Анотація

Красько М.М. Вплив ізовалентної домішки олова на термічне та радіаційне дефектоутворення в кремнії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2000.

В роботі представлено результати експериментального дослідження впливу ізовалентної домішки олова на електрофізичні властивості кремнію при термо- та радіаційних обробках. Встановлено вплив легування кремнію ізовалентною домішкою олова на процеси утворення і відпалу радіаційних і термічних дефектів. Показано, що в кремнії з оловом зменшується енергія активації утворення та відпалу термодонорів, які утворюються в процесі термообробки при 450 0С. Запропоновано модель вливу олова на перебіг процесів утворення термодонорів, яка припускає існування метастабільного дефекту олово-кисень. Побудовано теорію кінетики утворення термодонорів як в зразках з оловом, так і без нього. Показано також, що при протонному (61 МеВ) опромінюванні вводяться два акцепторних електронних рівні, які пов'язані з оловом і належать одному радіаційному дефекту, до складу якого входить вакансія. Виявлено, що радіаційні дефекти, які відповідають за зміну часу життя носіїв струму при гама-опроміненні, в n-Si<Sn> є термостабільніші ніж в n-Si без Sn.

Ключові слова: кремній, олово, термообробка, термодонори, протонне опромінення, гама-опромінення, термічні дефекти, радіаційні дефекти, відпал дефектів.

Аннотация

Красько Н.Н. Влияние изовалентной примеси олова на термическое и радиационное дефектообразование в кремнии.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Институт физики Национальной Академии Наук Украины, Киев, 2000.

В работе представлены результаты экспериментального исследования влияния изовалентной примеси олова на электрофизические свойства кремния при термо- и радиационных обработках. Исследовались свойства термодоноров, образующихся в термообработанном (450 0С) Si<Sn>, а также особенности радиационного дефектообразования протонно и гамма-облученного Si<Sn>.

Обнаружено, что легирование кремния изовалентной примесью олова (NSn (26,5)1018 см-3) приводит к подавлению генерации термодоноров. При этом степень подавления коррелирует с концентрацией олова. Предложена модель влияния олова на процессы образования термодоноров, допускающая существование метастабильного дефекта олово-кислород. Построена теория кинетики образования термодоноров как в образцах с оловом, так и без него. Предполагается, что образование термодоноров одновременно идет гетерогенным (захват атомов кислорода на имеющиеся в кристалле зародыши) и гомогенным (объединение 4-х дисперсных атомов кислорода) механизмами. Показано, что концентрация атомов кислорода, участвующих в таких реакциях, значительно превышает среднюю. Изовалентная примесь олова в кремнии влияет посредством образования метастабильных комплексов олово-кислород как на гетерогенный, так и на гомогенный процессы образования термодоноров. Результатом такого влияния является значительное уменьшение темпа генерации кислородосодержащих термодоноров. Показано, что в кремнии с оловом уменьшается энергия активации образования и отжига термодоноров.

Показано, что при протонном (61 МэВ) облучении образуются два акцепторных электронных уровня, которые принадлежат одному радиационному дефекту, в состав которого входят олово и вакансия. В результате происходит уменьшение эффективности образования основных вакансионных радиационных дефектов. Установлено температуру отжига данного радиационного дефекта.

Обнаружен сложный характер зависимости константы деградации времени жизни от концентрации примеси олова. Полученные результаты объясняются тем, что радиационные дефекты VSn, образующиеся при гамма-облучении, стают основными центрами рекомбинации при комнатной температуре при увеличении концентрации примеси олова. Обнаружено также, что дефекты, которые возникают при отжиге гамма-облученных образцов, являются более стабильными в n-Si<Sn>, чем в контрольном материале. При увеличении концентрации примеси олова увеличивается и концентрация таких стабильных дефектов. Показано, что “отрицательный” отжиг времени жизни неравновесных носителей тока гамма-облученных образцов n-кремния обусловлен образованием дефектов V2O (в контрольных образцах) или одновременным образованием дефектов V2O и V2Sn (в образцах с оловом), которые являются эффективными рекомбинационными центрами. Определены характеристики этих дефектов.

Ключевые слова: кремний, олово, термообработка, термодоноры, протонное облучение, гамма-облучение, термические дефекты, радиационные дефекты, отжиг дефектов.

Summary

Kras'ko M.M. Influence of isovalent impurity of tin on thermal and radiation creation of defects in silicon. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate in physical and mathematical sciences on speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The experimental results of isovalent impurity influence of tin on electrophysical properties of silicon under thermal and radiation treatments are investigated in the work. The influence of tin-doping on the processes of creation and annealing of thermal and radiation defects is found out. It is shown the activation energy of creation and annealing of thermodonors decreases in the silicon with tin during thermal treatment at 450 0C. The model of tin influence on the process of thermodonor creation is proposed. The model supposes the existence of metastable defect of oxygen-tin. The theory of thermodonors creation kinetics in the samples as with tin as without tin is created. The creation of two electron levels of acceptor type under the proton (61 Mev) irradiation is also shown that are connected with the same radiation defect with the vacancy in its structure. It is shown the radiation defects that are responsible for changing of life time of current carriers under gamma irradiation in n-Si<Sn> are more thermostable than in n-Si without Sn.

Key words: silicon, tin, heat treatment, thermodonors, proton irradiation, gamma irradiation, thermal defects, radiation defects, annealing of defects.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Фізичні основи процесу епітаксія, механізм осадження кремнію з газової фази. Конструкції установок для одержання епітаксійних шарів кремнію. Характеристика, обладнання молекулярно-променевої епітаксії. Легування, гетероепітаксія кремнію на фосфіді галію.

    курсовая работа [2,6 M], добавлен 29.10.2010

  • Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку. Характеристика областей існування структур сфалериту і в’юрциту. Кристалічна структура і антиструктура в телуриді кадмію. Кристалоквазіхімічний аналіз. Процеси легування. Утворення твердих розчинів.

    дипломная работа [703,8 K], добавлен 14.08.2008

  • Основні фізико-хімічні властивості NaCI, різновиди та порядок розробки кристалохімічних моделей атомних дефектів. Побудування топологічних матриць, визначення числа Вінера модельованих дефектів, за якими можна визначити стабільність даної системи.

    дипломная работа [1,0 M], добавлен 14.08.2008

  • Класифікація напівпровідникових матеріалів: германія, селену, карбіду кремнію, окисних, склоподібних та органічних напівпровідників. Електрофізичні властивості та зонна структура напівпровідникових сплавів. Методи виробництва кремній-германієвих сплавів.

    курсовая работа [455,9 K], добавлен 17.01.2011

  • Характеристика основних даних про припої та їх використання. Особливості пайки напівпровідників, сполук припоїв і режимів пайки германія й кремнію. Сполуки низькотемпературних припоїв, застосовуваних при пайці германія й кремнію. Паяння друкованих плат.

    курсовая работа [42,0 K], добавлен 09.05.2010

  • Система Pb-S. Константи рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів Френзеля у кристалах Pb-S. Константи рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів у халькогенідах свинцю на основі експериментальних даних.

    дипломная работа [1,4 M], добавлен 09.06.2008

  • Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів. Спектральні характеристики кремнієвих ФЕП. Відображення в інфрачервоній області спектру ФЕП на основі кремнію. Вимір коефіцієнта відбиття абсолютним методом. Характеристика фотометра відбиття ФО-1.

    курсовая работа [3,6 M], добавлен 17.11.2015

  • Поняття хімічного елементу. Утворення напівпровідників та їх властивості. Електронно-дірковий перехід. Випрямлення перемінного струму, аналіз роботи тиристора. Підсилення електричного сигналу, включення біполярного транзистора в режимі підсилення напруги.

    лекция [119,4 K], добавлен 25.02.2011

  • Характеристики та класифікація напівпровідників. Технологія отримання напівпровідників. Приготування полікристалічних матеріалів. Вплив ізохорного відпалу у вакуумі на термоелектриці властивості і плівок. Термоелектричні властивості плюмбум телуриду.

    дипломная работа [4,4 M], добавлен 09.06.2008

  • Електрофізичні властивості напівпровідників та загальні відомості і основні типи напівпровідникових розмикачів струму. Промислові генератори імпульсів на основі ДДРВ й SOS-діодів, дрейфовий діод з різким відновленням, силові діоди на базі P-N переходів.

    дипломная работа [254,4 K], добавлен 24.06.2008

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.