З урахуванням (9) та (10) швидкість руху дислокацій у збуджених електричним струмом зразках кремнію можна описати такою емпіричною формулою:

= _о (._о)^ь х1 + з(о.о_о)^тъ учз х- У^*.лЕъ (11)

Оскільки m = H_о/kT, а n = /kT, то вираз (11) легко звести до такого вигляду:

=_о exp[- (E* - H_о ln /_о) / kT] +

з_о учзх-(У_о - Р_о дт ._о - дт о.о_о) . лЕъ (12)

Якщо позначити E = E* - H_о ln (/_о), _оi = p_о, E = ln (j/j_о), то наведена формула буде мати такий самий вигляд, як і емпірична формула H.Маеди, встановлена ним за результатами досліджень впливу на рух дислокацій опромінення кристалів кремнію пучком електронів у електронному мікроскопі та з урахуванням протікання за умов електронного збудження рекомбінаційних процесів:

(13)

де _ОТ = _о(/_о)^m, Е - енергія термоактивації руху дислокацій для даного механічного напруження , Е - зменшення активаційної енергії за рахунок безвипромінювальної рекомбінації. Передекспонента _ОТ містить частоту коливань перегину, яка практично дорівнює дебаєвській частоті _Д. В той же час передекспонента _оі містить частоту рекомбінації _Г, помножену на величину квантового виходу , замість коливальної частоти. Відношення передекспонент записується у вигляді:

_ОТ / _оі = _Д / _Г (14)

Рекомбінаційна частота (темп) безвипромінювального захоплення носіїв на подвійні перегини визначається швидкістю утворення носіїв, часом їх життя і перерізом захоплення перегину. Енергія Е, що приноситься рекомбінуючим носієм заряду, може виділятись на вузлі, зайнятому домішковим атомом у вигляді фонона.

Оскільки в формулах (12) і (13) швидкість руху дислокацій містить два члени - термоактиваційний та член, що описує зміну швидкості під дією електричного струму, то можна припустити, що внески термоактиваційного та рекомбінаційно-стимульованого внаслідок протікання електричного струму процесів у швидкість руху дислокацій можуть бути різними. При цьому, очевидно, внесок рекомбінаційно-стимульованого процесу, що лімітує рух дислокацій за умов збудження, залежить від сили електронного впливу, які враховує коефіцієнт _оі та параметр р, якому в нашій роботі був наданий зміст ймовірності рекомбінації в області дислокації.

Аналізуючи формулу (11), можна побачити, що для густини струму j < j_о другий член стає малим і швидкість руху дислокацій у процесі протікання електричного струму буде дуже мало відрізнятися від швидкості руху дислокацій у вихідних кристалах. Таким чином, j_о повинно відповідати деякому мінімальному значенню густини струму, при перевищенні якого спостерігається ефект впливу струму на рух дислокацій. У наших експериментах збільшення швидкості у процесі протікання струму крізь зразок спостерігається для густин струму, більших за j_о = 110⁴ А/м². Отже, ЕПЕ, існування якого можливе лише при густинах струму j j_о, має пороговий характер.

При досить великих густинах струмів j ~ j_кр чисельник експоненти у другому члені формули (12) може стати близьким до нуля, що, фактично, призводить до того, що швидкість руху дислокацій при протіканні електричного струму практично співпадає зі швидкістю для вихідних кристалів. Апроксимуючи залежність ln ~ f(ln j) на область великих j, отримуємо значення густин струму, де швидкість руху дислокацій у межах розкиду перестає залежати від j та температури Т. Експериментально спостерігати рух дислокацій при таких густинах струму неможливо, бо при j > 2,510⁶ А/м² настає макроскопічний прогин зразків кремнію. З іншого боку, проведена апроксимація вказує на те, що ЕПЕ у збуджених зразках кремнію може мати місце у досить великих межах густин струму: 110⁴ А/м² < j < 2,510⁶ А/м².

Ефект збільшення швидкості у збуджених електричним струмом кристалах Si = _стр/_вих (_стр - швидкість руху дислокацій у кристалах Si, крізь які протікає струм, а _вих - швидкість руху дислокацій у вихідних зразках) експоненційно залежить від температури випробування. По нахилу температурної залежності = f(1/T), представленої на рис.4, ми розрахували величину E - енергію, обумовлену впливом електричного струму. Цю енергію можна ототожнити з енергією, що локально виділяється в області дислокації у процесі рекомбінації носіїв заряду під час протікання електричного струму крізь зразок. При цьому рекомбінація може протікати по багатьом каналам. Рекомбінація на мілких дислокаційних рівнях може істотно підсилюватись присутністю глибоких рівнів, пов'язаних з домішками. Вважається, що при безвипромінювальній рекомбінації носіїв заряду, яка відбувається на відрізках дислокацій вільних від перегинів (на відрізках “прямих” дислокацій) енергія, яка виділяється при захопленні носія, іде на утворення подвійних перегинів. Коли ж рекомбінація відбувається на заряджених перегинах, то енергія, яка виділяється при захопленні перегином носія, сприяє процесу міграції перегинів.

Крім того, навколо дислокації існує область просторового заряду, що призводить до утворення кулонівського потенціального бар'єра для носіїв.

Імовірно, що при протіканні електричного струму j 110⁴ А/м² змінюється зарядовий стан центрів закріплення дислокації за рахунок їх часткової або повної нейтралізації, що зменшує кулонівський потенціальний бар'єр навколо дислокації, полегшує процес подолання атмосфери та наступний рух дислокації у потенціальному рельєфі Пайєрлса.

Інжекція носіїв заряду через потенціальний бар'єр у ядро дислокації впливає, з одного боку, на заряд подвійних перегинів, а з іншого - на зарядовий стан домішок, які утворюють атмосферу навколо дислокації. Кількість носіїв заряду, які інжектуються в ядро дислокації, пропорційна густині струму та залежить від висоти та форми кулонівського бар'єра. Інжектовані в ядро дислокації носії заряду беруть участь у процесах рекомбінації. Це обумовлює зміну потенціального бар'єра навколо дислокації та локальне виділення енергії рекомбінації. Останнє, на нашу думку, і обумовлює виявлене в роботі збільшення величини енергії рекомбінації E з ростом густини струму та відповідне зменшення енергії активації руху дислокацій (рис.5,6).

Аналіз цих результатів на основі формули (14) засвідчує про можливе зростання рекомбінаційної частоти (або частоти перезарядки дефектів) у збуджених струмом кристалах кремнію при зростанні густини струму.

Виявилось, що бар'єр міграції перегинів, який характеризує електростатичну взаємодію перегинів, у збуджених струмом кристалах кремнію дуже малий, - = 0,06 еВ, мала і відповідна енергія міграції комплексу “дислокація-домішка” у збуджених кристалах, - Q_зб = 0,24 еВ. Вихідні зразки кремнію характеризуються потужними бар'єрами міграції H_о = 0,40 еВ і досить значними енергіями міграції Q = 1,60 еВ. Ця обставина свідчить на користь нівелювання ролі пов'язаного з домішками вторинного рельєфу Пайєрлса в умовах електронного збудження.

Одержані результати, що стосуються виявленого ЕПЕ, визначаються рядом факторів, які включають не лише механізми перезарядки дефектів і зменшення кулонівської складової дислокаційно-домішкової взаємодії, але й інші механізми, обумовлені рекомбінацією носіїв. На наш погляд, ще одна можлива причина зростання швидкості дислокації і зменшення енергії активації в присутності електричного струму пов'язана з протіканням у збуджених кристалах процесу, так званої, рекомбінаційно-стимульованої дифузії (РСД). Згідно існуючих в літературі моделей РСД, процес народження та загибелі (рекомбінації) на сильно збудженому дефекті електрон-діркових пар приводить до своєрідної енергетичної дифузії дефектів з кроком _g(_g- ширина забороненої зони).

Не виключено, що прискорена дифузія домішок у збуджених струмом кристалах обумовлює процеси переповзання дислокацій, які, в свою чергу, викликають збільшення швидкості дислокацій, зменшення енергії активації їх руху і приводять до появи ЕПЕ.

В області T < 973 K всі стартові характеристики у зразках, крізь які протікав струм, виявляються більш низькими в порівнянні з вихідними кристалами кремнію, а отже, в цій області температур спостерігається ефект пластифікації кристалів кремнію під впливом електричного струму (негативний ЕПЕ). Зі зростання температури має місце ефект температурного гасіння негативного ЕПЕ, а при температурі Т_кр. = 973 К наступає інверсія знаку ЕПЕ. Було встановлено, що в області T 973 K у збуджених зразках кремнію може проявитись ефект зміцнення (позитивний ЕПЕ). При цьому стартові характеристики істотно змінюються - значення стартових напружень у збуджених струмом кристалах зростають у порівнянні зі стартовими напруженнями для руху дислокацій у вихідних кристалах Si. Зростання стартових напружень у зразках, крізь які протікав струм, супроводжується зростанням часів затримки та зменшенням пробігів дислокацій.

При T 973 K, згідно з літературними даними, змінюється зарядовий стан дислокацій, зокрема, зменшується їх електрична активність, а отже, здатність до рекомбінації. Це може бути пов'язане зі змінами в атмосфері дислокацій. На нашу думку, саме процеси, пов'язані зі зниженням електричної активності дислокацій, зменшують швидкість дислокацій при T 973 K в кристалах, крізь які протікає електричний струм, у порівнянні з вихідними зразками.

Виявилося, що електричні властивості дислокацій у кремнії, так само, як і їх рухливість, у значній мірі визначаються домішковим станом кристалу. Так, при пропусканні електричного струму через зразки, які пройшли попередню ВТО, рух дислокацій за межами домішкової атмосфери не спостерігався в жодному з досліджуваних інтервалів температур. В той же час у зразках кремнію, які пройшли ВТО, але не піддавалися дії струму, спостерігався рух дислокацій, що і дозволило визначити активаційні параметри процесу відкріплення дислокацій від домішкових центрів у відпалених на повітрі зразках (табл.3).

Отже, пропускання електричного струму через зразки, які пройшли спеціальну високотемпературну термообробку, повинно призводити до підвищення жорсткості кристалу по відношенню до жорсткості зразків, які не піддавались обробці електричним струмом.

Таким чином, електричний струм, який збуджує підсистему структурних дефектів, може виступати і як фактор пластифікації, і як фактор зміцнення кристалів кремнію в залежності від специфіки умов деформування (температури випробування) та від передісторії зразка (ВТО).

У відповідності з літературними даними, а також у відповідності з нашими дослідженнями збуджених кристалів Si, проведеними методом інфрачервоної спектроскопії, в низькотемпературній області T₂ = 673 823 К в порівнянні з областю високих температур T₁ = 823 973 К різко (у 4-5 разів) зростає концентрація електрично заряджених термодефектів, так званих термодонорів (ТД). Не виключено, що саме зі зростанням концентрації заряджених термодефектів, які посилюють канал рекомбінації, пов'язане виявлене в роботі збільшення величини електропластичного ефекту в низькотемпературній області.

З метою більш детального вивчення впливу термодонорів на динамічну поведінку дислокацій нами були проведені спеціальні дослідження, які показали, що введення заряджених термодонорів у кристали кремнію викликає збільшення часів затримки, стартових напружень для руху дислокацій та зменшення їхньої швидкості в вихідних (незбуджених) кристалах. При дослідженні впливу ТД на ЕПЕ було встановлено, що характер вказаного впливу залежить від типу електрично активних термодефектів. Термодонорні центри типу ТД-І (низькотемпературні або класичні термодонори) викликають появу негативного ЕПЕ, при якому часи затримки зменшуються, а швидкості дислокацій зростають. Термодонорні центри типу ТД-ІІ (високотемпературні або нові термодонори) спричиняють виникнення позитивного ЕПЕ, для якого характерна втрата дислокаціями здатності до руху. Фізична інтерпретація впливу ТД на процеси руху дислокацій в збуджених кристалах Si може бути пов'язана з уявленнями про те, що заряджені термодефекти стимулюють перезарядку дислокацій і оточуючих їх атмосфер домішок. Дійсно, наявність додаткової концентрації електронів провідності, пов'язаної з ТД, може вплинути на положення рівня Фермі Е_F, на енергію дислокаційного рівня і на ступінь заповнення дислокаційних обірваних зв'язків (ДОЗ). Можна стверджувати, що при введенні ТД у кристали Si зростає густина додаткових електронів на одиниці довжини дислокації. Останнє впливає на висоту потенціального електростатичного бар'єру, який обумовлюється просторовим зарядом навколо дислокації, зосередженим в циліндрі Ріда. При цьому введення ТД у кристали кремнію приводить до зростання електростатичного бар'єру та радіуса зони просторового заряду (радіуса циліндра Ріда), що і спричинює зменшення рухливості дислокацій в вихідних кристалах кремнію.

З іншого боку, завдяки введенню у кристали кремнію термодонорів і завдяки гетеруючій дії дислокацій в околі дислокації може збільшуватись концентрація центрів рекомбінації і, таким чином, можуть підсилюватись процеси рекомбінації у збуджених струмом зразках. Це підсилення цілком імовірне явище ще і з тієї причини, що ТД-І являють собою заряджені дефекти з достатньо великою глибиною залягання рівня. В нашій роботі встановлено, що підсилення ЕПЕ спостерігається тільки при введенні у зразки кремнію ТД-І. При введенні ТД-ІІ ЕПЕ змінює знак, спостерігається ефект зміцнення при проходженні струму. Звичайно, при введенні ТД у кристали кремнію концентрація введених ТД-ІІ значно менша концентрації ТД-І. Ця обставина, а також інша природа ТД-ІІ, зокрема те, що ТД-ІІ являють собою мілкі донорні центри, які не є ефективними центрами рекомбінації, приводить до того, що наявність ТД-ІІ спричинює ефект зміцнення у збуджених кристалах кремнію. Таким чином, різні за природою ТД по різному впливають на величину й знак ЕПЕ.

Проведені дослідження на кристалах Si з введенням ТД та їх аналіз вказують на те, що електрична активність дислокацій визначається як параметрами рекомбінаційних центрів (імовірністю та частотою рекомбінації), так і величиною потенціального бар'єру і долею об'єму, що займає просторовий заряд дислокації.

Процес рухливості дислокацій, що спостерігається експериментально в збуджених кристалах, в кінцевому рахунку, обумовлений перебудовами в атомно-остівній і електронній підсистемах. Цікавим є питання, як на цих перебудовах позначається тривалість електронного збудження. Для розв'язку цього питання ми зосередили нашу увагу на розгляді процесів релаксації зарядового стану дефектів. Наукова активність в проведенні вказаних досліджень зрозуміла, оскільки вони наближають до ефектів напіпровідникової пам'яті. Нами показано, що здійснення збудження кристалів кремнію в імпульсному (або пульсуючому) режимі (час дії струму дуже короткий і в десятки разів менший за час дії механічного навантаження) приводить до появи у кристалів Si з дислокаціями електричної “пам'яті” дії струму, тобто спричинює залишковий електропластичний ефект (ЗЕПЕ). Тривалість зберігання кристалами кремнію електричної “пам'яті” обумовлена параметрами імпульсного електронного збудження (тривалістю, інтенсивністю, скважністю імпульса). Явище ЗЕПЕ пов'язане з наявністю нерівноважних станів та з протіканням релаксаційних процесів в кристалах кремнію. Релаксаційні процеси, пов'язані з рекомбінацією нерівноважних носіїв заряду, при збудженні кристалів кремнію великими струмами (j = 10⁶ А/м²) через певний час згасають, тобто характеризуються кінцевим часом релаксації. В той же час при менших струмах (j 10⁵ А/м²) час релаксації нескінчено великий і експериментально не виявлені його межі. На наш погляд, спостереження ЗЕПЕ в кремнії, що містить дислокації, свідчить про узгодженість одержаних даних з бар'єрною моделлю. В ролі макроскопічних бар'єрів, які розділяють рекомбінуючі носії, може виступати кулонівський вигин зон навколо зарядженої дислокації. При наявності кулонівського бар'єра релаксація зарядових станів ДОЗ сповільнюється завдяки повільному темпу рекомбінації носіїв інжектованих в ядро дислокації (циліндр Ріда). Останнє і приводить до тривалого спаду ЗЕПЕ.

Таким чином, імпульсний струм виявився тонким інструментом, здатним вибірково діяти на окремі компоненти системи та управляти кінетичними процесами в кристалах кремнію. Одержані в роботі результати засвідчують, що такі важливі і широко розповсюджені механічні явища, як пластичність та міцність не можна досліджувати лише на чисто механічній основі. Замість цього їх слід розглядати як частину загальної проблематики нелінійних динамічних систем, що працюють далеко від рівноваги. Нам представляється, що уже саме усвідомлення цієї обставини є суттєве просування в області науки про матеріали.

Третій розділ присвячено вивченню впливу фізичних полів на мікропластичні властивості приповерхневих шарів кристалів кремнію. Добрим індикатором міграції або утворення точкових дефектів під впливом фізичних полів можуть виступати уведені спеціальним чином у бездислокаційні кристали кремнію дислокації, рухливість яких і досліджувалась в експериментах.

В третьому розділі розглядаються та аналізуються одержані вперше результати впливу електричного поля на динамічну поведінку приповерхневих дислокацій. У повздовжній геометрії прикладання до зразків електростатичного поля, електрична напруга U = 0…50В подавалась на нижні металеві контакти, які водночас використовувались як опори в чотирьохопорному методі навантаження зразків. В ролі діелектричної прокладки між контактами і зразком виступала слюда.

Одержано, що прикладання електростатичного поля без механічного навантаження не зміщує дислокації із стартових положень. При одночасній дії електростатичного поля та механічного напруження пробіги і, відповідно, швидкості дислокацій збільшуються у 2-4 рази, а часи затримки початку руху дислокацій зменшуються і, навіть, в певних умовах зникають. Швидкість руху дислокацій у випадку прикладання електростатичного поля до зразка залежить від деформуючого механічного навантаження та величини електричної напруги, що прикладалась до контактів, але не залежить від геометрії прикладання поля та від того, на якій віддалі від електрода знаходиться дислокаційний сегмент. Розрахована енергія активації руху дислокацій в кристалах кремнію, до яких прикладалось електростатичне поле одночасно з механічним навантаженням, виявилась на 13% менше, ніж енергія активації у вихідних зразках. Дія електростатичного поля може викликати зміну поверхневого потенціалу _s і привести до збіднення поверхневого шару носіями, чи навпаки, до акумуляції носіїв у приверхневому шарі, що веде до зміни зарядового стану дислокацій та електричної активності домішкових центрів.

Зовнішнє електричне поле, створюючи вигин зон, стимулює захват носіїв на пастки в мікропреципітатах та зміну їх заряду. Нейтралізація вбудованого позитивного заряду SiО_х-преципітатів, які розташовані в домішковій атмосфері дислокацій і які є основними гальмівними центрами для руху дислокацій у кристалах кремнію, сприяє відкріпленню дислокацій від домішкових центрів за рахунок зниження компоненти кулонівської взаємодії між дислокацією і преципітатом. Не виключено, що під впливом електричного поля змінюється заряд не лише SiО_х-преципітатів, але і заряд дислокаційних обірваних зв'язків (ДОЗ). Це припущення підтверджується одержаною в роботі залежністю швидкості дислокацій від напруженості електричного поля (рис.7), характер якої відповідає характеру теоретичної залежності коефіцієнта заповнення електронних рівнів ДОЗ f від напруженості зовнішнього електричного поля.

В роботі виявлено ефект “дислокаційної пам'яті” впливу електростатичного поля, який полягає в тому, що коли до зразка кремнію з виведеними у стартові положення дислокаціями прикласти електростатичне поле, то дислокації запам'ятовують цей факт, і при наступному прикладанні самого лише механічного навантаження рухаються із такими швидкостями, які вони зазвичай мають при одночасній дії аналогічного електростатичного поля та механічного напруження (рис.8). Ефект “дислокаційної пам'яті” проявлявся як відразу після дії поля, так і зберігався при кімнатних температурах на протязі досить довгих проміжків часу після видалення зразка із поля.

Існування вказаного ефекту дає можливість припустити, що прикладене поле впливає на електростатичну взаємодію в атмосфері дислокації в приповерхневій області, що призводить до зміни її зарядового стану.

Незалежність ефекту “пам'яті” від часу прикладання поля говорить про те, що ця зміна протікає в момент прикладання поля і веде до утворення стійкого перерозподілу зарядів в атмосфері дислокації, який потім не зазнає істотних змін протягом тривалого часу.

В третьому розділі наведено також результати досліджень зміни мікропластичних властивостей кристалів кремнію при накладанні постійного магнітного поля (МП).

Експериментально встановлено, що сама по собі дія МП не призводила до переміщення дислокацій. Чіткі зміни в динамічний поведінці дислокацій фіксувалися тільки в тому випадку, коли після магнітної обробки (МО) здійснювалося механічне деформування зразків. Слід підкреслити, що зміни в рухливості дислокацій спостерігалися лише при дії МП з магнітною індукцією В = 0,17 Тл, а при індукції В 0, 10 Тл відповідні зміни були відсутні. Таким чином, характеристики рухливості дислокацій виявились чутливими тільки до дії магнітного поля, індукція якого досягає певного порогового значення (В = 0,17 Тл).

В роботі вивчався вплив такого фактору як тривалість МО на величину пробігів дислокацій. Було встановлено, що при тривалості МО зразків t_МО 7 діб ( 170 год) змін у динамічній поведінці дислокацій не спостерігається. Таким чином, існує певний інкубаційний час витримки зразків кремнію, протягом якого зразок “не відчуває” впливу магнітного поля. Після витримки зразків кремнію з магнітною індукцією В = 0,17 Тл на протязі t_МО = 7 діб і при подальшому механічному навантаженні спостерігається позитивний магнітопластичний ефект (МПЕ). В результаті систематичних досліджень МПЕ були визначені його основні властивості. Виявилось, що МО кристалів кремнію призводить до зменшення (в порівнянні з вихідними, не обробленими магнітним полем зразками) швидкості дислокацій та до збільшення часів затримки початку їх руху (рис.9). Зростання часів затримки пов'язане зі зростанням стартових напружень руху дислокацій. Справді, встановлено, що в кристалах кремнію, які пройшли магнітну обробку, напруження старту зростали в 3 рази. Слід відмітити, що виявлений в кремнії після дії магнітного поля клас явищ проявляється при дії МП, енергія взаємодії якого з магнітними моментами менше теплової. Отже, зміна енергії носіїв, пов'язана з ефектом Зеемана, мала і не може впливати на ефекти, що встановлені.

Цілком імовірно, що в наших експериментах по впливу МП на динамічну поведінку дислокацій реалізується дія декількох механізмів. Зокрема, МП впливає на імовірність інтеркомбінаційних переходів (ІКП) між станами різної мультиплетності. Зміна внаслідок ІКП орієнтації електрона, захопленого на домішці, який приймає участь у хімічному зв'язку матриці (Si) з домішкою (О_і), приводить до заповнення антизв'язуючих станів і розпаду зв'язку Si - О. Згідно літературним джерелам, слабе магнітне поле (В 1Тл) може ініціювати спінову заборону на відновлення хімічного зв'язку Si - О та явище дифузійної нестійкості.

Вплив МП на кристали Si ініціює процес магнітного старіння, який, імовірно, проявляється у розпаді твердого розчину кисню, довготривалій генерації кисневомістких дефектів, яка завершується формуванням кластерів типу Si_xO_yV_z (V - вакансія) та преципітацією оксидних фаз. Наслідком такої структурної релаксації, яка стимулюється магнітним полем, є зміна домішкової атмосфери в околі дислокації. Отже, ефект магнітного впливу на рухливість дислокацій в діамагнітному кремнії, виявлений в роботі, може бути пов'язаний зі змінами в домішкових атмосферах, що оточують дислокації. Виявилось, що дія МП на кристали Si носить тимчасовий характер і затухає при подовженні паузи між магнітним впливом та механічним навантаженням. Якщо розглядати ефекти, які виникають в зразках кремнію з дислокаціями після витримки в магнітному полі як прояв “магнітної пам'яті”, то слід підкреслити, що виявлена “магнітна пам'ять” кристалів Si з дислокаціями носить короткочасний характер ( 1 година). Короткий час зберігання “магнітної пам'яті” може бути пов'язаний з процесами спін-решіточної релаксації, яка хаотизує спіни, подавляє спін-залежні переходи і супроводжується релаксацією метастабільного терма зв'язку міжвузольного кисню Si-О, який проявляє себе в комплексоутворенні.

Враховуючи те, що дислокаційні обірвані зв'язки кремнію відповідальні за канал спін-залежної рекомбінації, слід було очікувати, що обробка зразків кремнію магнітним полем повинна впливати на електронні процеси в підсистемі носіїв і приводити до зміни спінового стану центрів захоплення та до зміни імовірності рекомбінації носіїв. Пряме підтвердження зміни ефективності каналу рекомбінації одержано нами при дослідженні характеру ЕПЕ на попередньо оброблених в магнітному полі зразках Si. При збудженні струмом кристалів кремнію, які пройшли попередню магнітну обробку, спостерігалось зменшення в 3 рази ЕПЕ. Слід прийняти до уваги те, що МП, у відповідності з літературними даними, приводить до феромагнітного впорядкування ДОЗ. Наслідком цього може бути зменшення імовірності захоплення та рекомбінації носіїв на ДОЗ при пропусканні крізь зразки Si електричного струму і відповідне послаблення ЕПЕ.

Таким чином, в нашій роботі встановлено, що спін-залежні реакції в підсистемі парамагнітних структурних дефектів кристалів Si та в феромагнітновпорядкованих ДОЗ здійснюють помітний внесок в мікропластичні властивості кремнію, а кінетика цих реакцій може ефективно регулюватись слабим постійним МП. Показано, що рухливість дислокацій може бути використана в якості індикатора спін-залежних процесів, а отже, індикатором зв'язку між пластичними властивостями кристалів і електронним станом дефектів.

З нашої точки зору, серед способів зміни зарядового стану дефектів цікавим і практично доцільним є оптичний спосіб. По цій причині ми зупинили свій вибір на вивченні дії лазерного випромінювання на підсистему дефектів. Цей вибір був мотивований ще й тим, що, на відміну від досліджених в даній роботі фізичних полів (електричного, магнітного, акустичного), дія лазерного випромінювання на зразки напівпровідників характеризується високою ступінню локальності у часі та просторі. Лазер є унікальним технологічним інструментом, який дозволив нам локально змінювати зарядовий стан дефектів.

У третьому розділі наведено результати досліджень динамічної поведінки дислокацій в кристалах кремнію під впливом імпульсного опромінення світловим потоком лазера. При цьому використовувалось ІЧ випромінювання ІАГ-лазера з густиною енергії W = (0,1 1,5) Дж/см² та УФ випромінювання імпульсного азотного лазера ІЛГУ-503 з густиною енергії W = (5 150) Дж/см².

Показано, що шляхом дії електромагнітного випромінювання лазера на кристали кремнію можна ефективно впливати на взаємодію дислокацій з точковими дефектами, а значить, управляти процесами рухливості дислокацій в кремнії.

Лазерна обробка вихідних зразків кремнію, що не піддавались збудженню струмом, приводить до зменшення швидкості переміщення дислокацій. В той же час у збуджених електричним струмом кристалах кремнію попередня лазерна обробка спричинює зростання швидкості дислокацій і підсилення електропластичного ефекту. Фізично процеси обробки електромагнітним полем лазерного випромінювання можуть бути пов'язані з протіканням стимульованої лазерним опромінюванням дифузії домішок в зразках кремнію. Наявність в приповерхневих шарах кремнію дислокацій, які виступають в ролі гетерних центрів, і наявність лазерної обробки - ці два фактори можуть приводити до зміни профілю розподілу домішок в приповерхневих шарах кремнію останнє може спричинити зростання потужності атмосфер Котрела в околі дислокацій, і відповідно, зменшення рухливості дислокацій. З іншого боку, лазерна обробка впливає не лише на профіль розподілу домішок в приповерхневих шарах, але і змінює їх зарядовий стан. Лазерне випромінювання, яке діє на кристали кремнію, переводить домішки з електрично неактивного в активний стан і впливає на ефективність каналів рекомбінації, і відповідно, на величину ЕПЕ.

Виявлено, що з допомогою лазерного випромінювання можна викликати довготривалу (до 30 діб) зміну структурного стану кристалів кремнію. Таким чином, дія як ІЧ-, так і УФ-випромінювання спричинює появу у зразках кремнію, що містять дислокації, “оптичної пам'яті”. При цьому ефекти зміни рухливості дислокацій в кристалах кремнію у випадку використання ультрафіолетового лазерного випромінювання проявляються при значно більших енергіях опромінення, ніж у випадку інфрачервоного лазерного випромінювання, що може бути обумовлено значним зменшенням глибини проникнення ЛВ вглиб кристалу кремнію при переході від ІЧ-діапазону в УФ-область спектру із-за істотного збільшення коефіцієнта поглинання цим матеріалом.

Виявлені ефекти можуть знайти широке практичне застосування, зокрема можуть бути покладені в основу управління мікропластичними та рекомбінаційними характеристиками приповерхневих шарів кремнію.

В останні роки посилюється інтерес до проблем управління пластичними властивостями напівпровідників з допомогою різних обробок. Поруч з різними варіантами термічної, лазерної, магнітної обробки застосовується також і ультразвук, як метод обробки.

У третьому розділі повідомляється про новий ефект, пов'язаний з впливом пружноелектричного поля ультразвуку на динамічну поведінку дислокацій в вихідних та збуджених струмом кристалах кремнію. В роботі встановлено, що пружноелектричне поле ультразвуку стимулює не лише просторовий перерозподіл дефектів, але і зміну їх зарядового стану, про що свідчать відповідні зміни в величині ЕПЕ, а саме - його посилення після попередньої ультразвукової обробки кристалів кремнію. Ці результати можна пояснити, якщо взяти до уваги і врахувати встановлений в роботі експериментальний факт - протікання акусто-стимульованої дифузії домішок у зразках, внаслідок якої зростає концентрація домішок у приповерхневому шарі кремнію і утворюється зміцнений “дебрис-шар”. Зростання концентрації заряджених дефектів в приповерхневому шарі та в околі дислокації після УЗО, приводить до посилення каналу рекомбінації і до відповідного збільшення величини ЕПЕ.

Отже, під дією електронного збудження та різноманітних обробок в кристалах кремнію цілком можлива зміна зарядового стану та концентрації центрів захоплення. Індикатором вказаних змін, які відбуваються в приповерхневих шарах, виступають ефекти, пов'язані з рухливістю коротких дислокацій. Одержані результати дозволяють зробити заключення про те, що електронне збудження та різноманітні обробки змінюють не лише мікропластичні характеристики кристалів кремнію, але й інші структурно-чутливі характеристики, які пов'язані з процесом мікропластичної деформації і які можуть корелювати між собою. Подібна кореляція до сьогодняшнього дня в літературі не вивчалась.

Четвертий розділ присвячено комплексним дослідженням по виявленню кореляції між мікропластичними, мікромеханічними, дифузійними та електрофізичними характеристиками кристалів кремнію.

В четвертому розділі представлені результати досліджень, метою яких було знаходження зв'язку параметрів рухливості дислокацій із значенням нано- та мікротвердості. Виявлено, що електронне збудження дислокаційних кристалів Si приводить до зміни їх твердості і до появи електромеханічного ефекту (ЕМЕ), який має приповерхневий характер. Дослідження кінетичних залежностей мікротвердості (відомих в літературі під назвою тривалої твердості) показали, що виявлені залежності у деформованих і збуджених струмом зразках кремнію мають немонотонний характер і визначаються двома етапами релаксації. Виявилось, що в області низьких температур (Т 973 К) амплітуда та час релаксації мікротвердості в збуджених струмом кристалах Si більші в порівнянні з незбудженими зразками. Це вказує на менший рівень опору приповерхневих шарів пластичній деформації і свідчить про те, що приповерхневі шари в збуджених кристалах є більш пластичними. Останнє добре узгоджується зі зміною динамічної поведінки дислокацій у збуджених кристалах Si. Отже, обробка зразків кремнію електричним струмом здійснює корельований вплив на його мікропластичні та мікромеханічні властивості.

Можна зробити ще одне заключення. Використаний в роботі метод тривалої твердості може бути запропонований як метод аналізу мікропластичних властивостей приповерхневих шарів кремнію.

Енергетичне збудження, як встановлено останнім часом, і присутність нерівноважних носіїв заряду стимулює дифузійні процеси в напівпровідниках. З цієї точки зору, викликало інтерес дослідити кореляцію між рухливістю приповерхневих дислокацій та міграцією (дифузією) атомів домішок, ініційованих збудженням електронної підсистеми.

Нами були здійснені дослідження по впливу електронного збудження на дифузію домішок та викликані нею структурні зміни в дислокаційних кристалах Si. Використаний в роботі метод вторинної іонної мас-спектрометрії (ВІМС) дозволив встановити розподіл домішок у вигляді окремих хімічних елементів по поверхні та по глибині кремнійових зразків.

Виявлено, що розподіл металевих домішок по поверхні зразків, в яких дислокації рухались під дією лише механічних напружень, являє собою хаотично розташовані плями різної величини для всіх досліджуваних металевих домішок (рис. 10а). При протіканні струму крізь деформований зразок домішки всіх металів мігрують і розподіляються по поверхні чітко вздовж напрямків руху дислокацій та площин їх ковзання, що розташовані під кутом 60^о до джерела дислокацій (подряпини). Прискорення процесів дифузії при пропусканні крізь зразки кремнію електричного струму свідчить про рекомбінаційно-залежну міграцію домішкових центрів (рис.10б). Дислокації та площини ковзання у збуджених струмом кристалах кремнію є електрично зарядженими дефектами, що притягують до себе з об'єму заряджені домішки металів, дифузія яких, за рахунок енергії рекомбінуючої електронно-діркової пари в околі дефекта, значно полегшується. Таким чином, протікання рекомбінаційно-стимульованих дефектних реакцій під дією струму та рекомбінаційно-стимульована дифузія приводить до декорування площин ковзання домішками. Було встановлено, що продифундовані домішки концентруються, в основному, в тонкому приповерхневому шарі завтовшки 0,2-1 мкм.

Вплив електричного струму на особливий характер розподілу домішок у зразках кремнію було виявлено нами при достатньо низьких температурах (Т = 573 К). Останнє підтверджує низькотемпературний характер рекомбінаційно-стимульованої дифузії в умовах електронного збудження кристалів Si.

Прискорена дифузія домішок в збуджених струмом кристалах може обумовлювати протікання процесів переповзання дислокацій, роль яких посилюється саме в приповерхневих шарах. Процеси переповзання, в свою чергу, викликають збільшення швидкості руху дислокацій, яке спостерігалось нами експериментально. Отже, зміна мікропластичних характеристик кристалів кремнію в умовах електронного збудження струмом узгоджується з дією в указаних умовах механізмів прискорення дифузії.

Подібно до збуджених струмом зразків кремнію, метод ВІМС виявляє у збуджених електричним полем зразках наявність специфічних смуг на топограмах (рис. 10в), як і найімовірніше пов'язані з процесами звільнення дислокацій від іонів домішок та з процесами декорування цими домішками площин ковзання.

Отже, виявлено, на разі, у збуджених кристалах кремнію формування стійкої сукупності заряджених точкових дефектів, розташованих вздовж площини ковзання. Можна стверджувати, що у збуджених зразках площина ковзання виступає в новій ролі двомірного зарядженого дефекту, який складається з комплексів на основі домішкових атомів. Нами було встановлено, що цей ефект, який до цих пір не враховувався, викликає зміну електрофізичних властивостей, і зокрема, визначає особливості релаксації фотопровідності (РФП). Час РФП, що досліджувався в роботі (рис.11), можна розглядати як індикатор електричної активності дислокацій та домішок в її оточенні.

Заряд дислокацій, а отже, і їхню електричну активність визначають декілька взаємозв'язаних параметрів, а саме: тип домішки і степінь декорування домішкою. Виявлено, що основний механізм впливу передісторії зразків кремнію на поведінку його електрофізичних параметрів, зокрема, на кінетику спаду фотопровідності, полягає в утворенні електрично активних дефектів в концентраціях, достатніх для істотної зміни рекомбінаційних характеристик. Припускається, що виявлені дві компоненти часу РФП у кристалах кремнію, які мають різну передісторію, обумовлені імовірніше за все, змінами в концентрації і зарядовому стані рекомбінаційно-ефективних центрів на поверхні та в об'ємі кристалів Si. Проведений аналіз взаємозв'язку між поведінкою електрофізичних характеристик (часом РФП) і динамічною поведінкою дислокацій в кристалах кремнію показав, що зміна в результаті обробок мікропластичних параметрів, що характеризують рух дислокацій, досить добре корелює зі зміною рекомбінаційних параметрів. Так, виявилось, що в результаті пропускання крізь зразки кремнію електричного струму, час РФП зростає і наближається до значення часу РФП в еталонному (незбудженому і недеформованому) зразку. Останнє дозволяє зробити висновок про те, що дія струму приводить до деактивації центрів рекомбінації, до перетворення електрично активних дефектів в електрично неактивні структурні порушення. Цей висновок добре узгоджується з виявленим ефектом зростання швидкості дислокацій (негативний ЕПЕ) у збуджених струмом зразках, який, на нашу думку, може бути пов'язаний як з нейтралізацією дефектів в ядрі дислокацій, так і з нейтралізацією точкових дефектів в домішковій атмосфері, яка оточує дислокацію.

Одержані в роботі результати дозволяють віднести до числа обробок, які змінюють зарядовий стан, а отже, електричну активність дефектів, зокрема такі: обробку (збудження) електричним струмом (ОЕС), термічну, ультразвукову обробки (УЗО) та інші. Ці дані служать індикатором того, що вказані обробки можуть розглядатись як можливі форми впливу на час життя носіїв заряду.

Таким чином, наші дослідження показали, що деформування зразків кремнію, їх електронне збудження та різноманітні види обробок (лазерна, ультразвукова, тощо) - всі ці зовнішні чинники здійснюють корельований вплив на мікропластичні властивості приповерхневих шарів кристалів кремнію, а також на їх механічні, дифузійні, електрофізичні характеристики. При цьому перелічені властивості та характеристики обумовлюються не “чистими” дислокаціями, а переважно, асоціатами дислокація-домішка, тобто, в значній мірі, визначаються попередніми додатковими обробками і домішковим складом кристалу, який формується при цих обробках.

Виявлена кореляція між окремими фізичними властивостями створює передумови для розробки нових методів керування цими властивостями, і, в підсумку, дає перспективу отримання нових конструкційних матеріалів з потрібними, наперед заданими властивостями та параметрами.

ВИСНОВКИ

1. Розроблена нова фізична модель, що описує вплив домішкових атмосфер на параметри рухливості коротких дислокацій, якими визначаються мікропластичні властивості приповерхневих шарів кремнію. Запропонована модель відрізняється від існуючих моделей тим, що, по-перше, враховує мікрорух коротких дислокацій в домішкових атмосферах, а, по-друге, передбачає корельований характер руху, згідно якому, стан атмосфери, яка закріплює дислокації в стартовій позиції, визначає динаміку дислокацій після виходу з атмосфери.

2. Встановлено, що високотемпературна термообробка та металізація зразків кремнію змінює мікроскопічні параметри дислокаційно-домішкової взаємодії. Отримані кількісні характеристики рухливості коротких приповерхневих дислокацій в вихідних, термооброблених, металізованих зразках з урахуванням різного роду бар'єрів: кристалічних бар'єрів Пайєрлса, локальних бар'єрів у вигляді закріплюючих дислокацію центрів та міграційних бар'єрів комплексу “дислокація-домішка”. Показано, що наявність високих бар'єрів міграції комплексу “дислокація-домішка” є основним критерієм, за яким дислокацію слід визначати як коротку.

3. Розраховані стартові характеристики та активаційні параметри руху коротких дислокацій показують, що мікроскопічні параметри, які описують рух дислокацій в домішковій атмосфері та рух дислокацій за межами атмосфери, корелюють між собою. Це доводить спільність (універсальність) фізичних механізмів, які контролюють рух дислокацій в домішковій атмосфері та за її межами.

4. Вперше при пропусканні електричного струму крізь кристали кремнію в процесі їх деформування спостерігався пороговий електропластичний ефект (ЕПЕ), величина і знак якого визначається специфікою умов деформування. В низькотемпературній області деформування Т Т_кр. (Т_кр. = 973 К) в збуджених зразках кремнію, в порівнянні з вихідними (незбудженими) зразками, часи затримки коротких дислокацій в стартових позиціях зменшуються, а швидкості їх руху в приповерхневих шарах зростають (негативний ЕПЕ). В області високих температур деформування (Т Т_кр.) пропускання струму спричиняє зростання величини стартових характеристик та зменшення швидкості приповерхневих дислокацій (позитивний ЕПЕ). Показано, що явище ЕПЕ та ефект температурного гасіння ЕПЕ фізично пов'язане з протіканням процесів рекомбінації і залежністю електричної активності дислокацій від температури.

5. Виявлено, що характер впливу електричного струму на динамічну поведінку коротких дислокацій залежить від стану оточуючих їх домішкових атмосфер, обумовлених передісторією зразків кремнію. Так, вплив постійного електричного струму на термооброблені зразки (Т_ВТО = 1423 К, t = 3 год.) призводить до того, що дислокації в таких зразках втрачають здатність до руху за межами домішкових атмосфер, що унеможливлює експериментальне виявлення вказаного руху. Зміна складу домішкових атмосфер в околі дислокацій за рахунок введення електричноактивних термодефектів - термодонорних центрів типу ТД-І (класичних термодонорів) в зразки кремнію, а також за рахунок лазерної та ультразвукової обробок кристалів Si посилює в 3 рази ЕПЕ. Альтернативні по характеру впливу домішкові атмосфери, утворені при попередній магнітній обробці зразків Si та при введенні термодонорних центрів типу ТД-ІІ (нових термодонорів) в кремній приводить до зменшення ЕПЕ. Фізично відмінність або ідентичність електропластичних ефектів, які виникають у збуджених струмом кристалах кремнію після певних обробок, може бути обумовлена відмінністю або ідентичністю зарядових станів дислокацій і пов'язаною з зарядовими станами дислокацій ефективністю каналів безвипромінювальної рекомбінації.

6. Вперше експериментально виявлено, що збудження кристалів кремнію електричним струмом приводить до зниження (на 200^о С) температурного порогу мікропластичності.

7. Вперше експериментально встановлено, що в кристалах кремнію, що містять дислокації, при збудженні імпульсним струмом, з'являється ефект “електричної пам'яті” дії струму (залишковий електропластичний ефект (ЗЕПЕ). Вивчення ЗЕПЕ дозволяє зробити висновок, що причиною існування ЗЕПЕ може бути релаксація викликаних електронним збудженням нерівноважних зарядових станів структурних дефектів, в тому числі, і дислокацій. Встановлено, що величина ЗЕПЕ визначається параметрами електронного збудження (густиною струму, тривалістю імпульсу), а його характер залежить від того, в якому стані знаходяться дислокації, що піддаються збудженню, - в стані руху, чи в стані спокою.

8. Показана можливість управління процесами рухливості приповерхневих дислокацій в кристалах кремнію за допомогою фізичних полів. При цьому, по відношенню до вихідних зразків кремнію, дія електростатичного поля та пружноелектричного поля ультразвуку приводить до зменшення часів затримки початку руху коротких дислокацій та збільшення швидкості дислокацій, а в результаті впливу постійного магнітного поля та електромагнітного поля лазерного випромінювання часи затримки зростають, а швидкості дислокацій зменшуються. Виявлені в результаті впливу фізичних полів ефекти можна пояснити зміною зарядового стану дислокацій та їх домішкових атмосфер, а також зміною структурного стану приповерхневих шарів кристалів кремнію.

9. Встановлено, що дислокації, введені в кристали кремнію до початку “обробки” фізичними полями, запам'ятовують факт польового впливу і при послідуючому механічному навантаженні рухаються з швидкостями, відмінними від швидкостей, типових для вихідних зразків. При цьому “дислокаційна пам'ять” дії електричного поля, електромагнітного поля лазерного випромінювання та акустичного поля ультразвуку, пов'язана з перезарядкою центрів закріплення дислокації, зберігається протягом тривалого часу при кімнатній температурі у відсутності поля і не знищується без спеціальних додаткових обробок. В той же час “дислокаційна пам'ять” дії магнітного поля, яка може бути пов'язана з процесами спін-решіточної релаксації та з релаксацією метастабільного терма зв'язку міжвузольного кисню Si-О, має короткотривалий характер.

10. Виявлено, що електронне збудження кристалів кремнію з дислокаціями приводить до зміни їх мікротвердості і до появи електромеханічного ефекту, який має приповерхневий характер.

11. Електронне збудження кристалів кремнію з дислокаціями індукує низькотемпературну рекомбінаційно-стимульовану дифузію домішок, посилює гетеруючу роль поверхні, площин ковзання і дислокацій.

12. Зміна електричної активності дислокацій та площин ковзання, пов'язана зі зміною стану домішкової атмосфери навколо дислокацій, проявляється в зміні електрофізичних властивостей кремнію, в тому числі, в зміні характеристик процесів релаксації фотопровідності, які протікають в його приповерхневих шарах.

13. Вперше встановлено, що пластичне деформування та різні види обробок (обробка ультразвуком, електричним струмом та електростатичним полем та інші обробки) здійснюють корельований вплив на мікропластичні параметри приповерхневих шарів кристалів кремнію та їх механічні, дифузійні та електрофізичні параметри.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

Новиков Н.Н., Горидько Н.Я Стебленко Л.П., Фастовец П.Н. Влияние твердофазных металлических покрытий на стартовые напряжения движения дислокаций в кристаллах кремния // УФЖ. - 1989. - т.34, № 1. - С.85-87.

Макара В.А., Новиков Н.Н., Горидько Н.Я., Стебленко Л.П. Влияние термообработки и металлизации поверхности на процесс открепления дислокаций от примесных центров в кристаллах кремния // ФТТ. - 1989. - т.31, № 5. - С.31-34.

Новиков Н.Н., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я., Теселько П.А. Характеристики подвижности коротких 60^о-ных дислокаций в кристаллах кремния с твердофазными покрытиями // УФЖ. - 1990. - т.35, № 5. - С.772-776.

Макара В.А., Стебленко Л.П., Робур Е.Г., Цареградская Т.Л. Влияние электрического поля на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния // Доклады АН Украины. - 1993. - № 12. - С.75-78.

Макара В.А., Стебленко Л.П., Обуховский В.В., Лемешко В.В., Робур Е.Г. Влияние єлектрического тока на скорость движения дислокацій в кристаллах кремния // ФТТ. - 1994. - т.36, № 9. - С.2618-2621.

Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я., Робур Е.Г., Воронцова Л.А., Литвинова Е.М., Хижняк В.И. Влияние постоянного электрического тока на подвижность дислокаций в кристаллах кремния // Доповіді АН України. - 1994. - № 3, С.78-80.

Макара В.А., Стебленко Л.П., Робур Е.Г., Волкова Т.В. Вплив температури та термообробки на зміну рухливості дислокацій в кристалах кремнію при збудженні електронної підсистеми // Доповіді АН України. - 1996. - № 12, С.96-101.

Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько М.Я., Робур Е.Г., Волкова Т.В. Рухливість дислокацій в кристалах кремнію під дією електричного струму різних густин // УФЖ. - 1997. -№ 3. - С.328-331.

Макара В.А., Стебленко Л.П., Коломієць А.М. Теоретичні дослідження впливу металізації на динаміку дислокацій в кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. - 1997. - вип.1. - С.324-330.