Физика / 2. Физика твердого тела

Пагава Т. А., Чхартишвили Л. С., Майсурадзе Н. И., Хочолава Д. З.,

Барамидзе К. К., Каландадзе И. Г., Деканосидзе Ш. В., Эсиава Н. А.

Грузинский технический университет, Грузия

Определение зарядового состояния

первичных радиационных дефектов

в момент образования в кристаллах Si

Цель работы заключается в изучении влияния зарядового состояния неравновесных вакансий на процессы, происходящие во время облучения и термообработки в кристаллах кремния. Образцы n‑Si, полученные методом зонной плавки, с концентрацией электронов N = 6 · 10¹³ см^–3 облучались протонами с энергией 25 МэВ при 300 К. Облученные кристаллы исследовались методом Холла в интервале 77 – 300 К. Показано, что природа и энергетический спектр радиационных дефектов в кристаллах Si в основном определяются зарядовым состоянием неравновесных вакансий. В кристаллах n‑Si вакансии заряжены отрицательно, а межузельные атомы – положительно. В кристаллах p‑Si вакансии и межузельные атомы в момент образования являются носителями заряда одинакового – положительного знака.

1. Введение

Используя метод локального облучения с последующим измерением объемной фото-ЭДС вдоль облученной части образца, авторы работ [1‑3] показали, что первичные радиационные дефекты (РД) в кристаллах p‑Si при 300 К заряжены одноименно, а в кристаллах n‑Si – являются носителями заряда различного знака.

В процессе облучения нерановесные вакансии вступают в квазихимические реакции с легирующими (фосфор, бор) или фоновыми (кислород, углерод) примесями, а также между собой. В результате образуются вторичные РД с высокой термостабильностью, которые до 600 °С определяют физические свойства облученного кристалла (при этой температуре вторичные РД окончательно отжигаются) [4].

Целью данной работы является определение знака заряда первичных РД, в момент образования в процессе облучения в кристаллах кремния и изучение их влияния на природу и энергетический спектр РД.

2. Эксперимент

Исследовались кристаллы n‑Si, полученные методом зонной плавки, с концентрацией электронов N = 6 · 10¹³ см^–3. Концентрация фоновых примесей (кислорода N_O и углерода N_C), определенные по спектрам инфракрасного поглощения, равны N_O » N_C » 2 · 10¹⁶ см^–3. Плотность дислокаций роста определялась по ямкам травления и не превышала 10³ – 10⁴ см^–2. Исследуемые образцы размерами 1 ´ 3 ´ 10 мм облучались протонами с энергией 25 МэВ. Плотность потока протонов составляла j = 10¹¹ см^–2 · с^–1. Концентрация электронов N измерялась в интервале температур T = 77 – 300 К. Измерения проводились компенсационным методом в магнитном поле 10 кЭ. В сильно компенсированных образцах энергии уровней дефектов E определялись по наклону кривых зависимостей N = f(10³/T). Ошибка определения этих величин не превышала 10 %.

3. Результаты исследований и их обсуждение

В исходных образцах зависимость N = f(10³/T) в области T = 77 – 300 К соответствует полной ионизации мелких доноров (атомов фосфора P): N » const = 6 · 10¹³ см^–3 (см. рис. 1, кривая 1). После облучения протонами дозой F = 2.7 · 10¹² см^–2 температурная зависимость концентрации электронов соответствует истощению акцепторных центров E_с – (0.17 ± 0.01) эВ (см. рис. 1, кривая 6). В результате облучения кристаллов дозой F = 8.1 · 10¹² см^–2 на кривых зависимости N = f(10³/T) наблюдается прямолинейный участок, соответствующий истощению акцепторных центров E_с – (0.41 ± 0.02) эВ (см. рис. 1, кривая 3) или связанный с существованием акцепторных центров с уровнем E_с – (0.54 ± 0.02) эВ (см. рис. 1, кривая 2). Как известно [5,6], акцепторный уровень E_с – 0.17 эВ принадлежит A-центрам, уровень E_с – 0.41 эВ – E-центрам или дивакансиям V₂, а уровень E_с – 0.54 эВ – неизвестному центру. Следует отметить, что принадлежность E_с – 0.54 эВ к дивакансиям поставлена под сомнение в работе [7]. На рис. 1 кривые 4 и 5 соответствуют истощению A-центров и получены для образцов, облученных дозой F = 8.1 · 10¹² см^–2 и отожженных при температурах T_отж = 150 и 300 °С.

Рис. 1. Зависимость концентрации электронов от температуры в

кристаллах n‑Si до облучения (1) и после облучения протонами с

энергией 25 МэВ (2‑6) дозами F = 8.1 · 10¹² (2‑5) и F = 2.7 · 10¹² см^–2 (6)

и оттожженных при температурах T_отж = 150 (4) и 300 °С (5).

В кристаллах n‑Si, облученных электронами с энергией 2 МэВ, эффективность образования E-центров h_E в 1.3 раза больше, чем аналогичная величина для A-центров h_A, несмотря на то, что N_O примерно на 3 порядка больше по сравнению с концентрацией фосфора N_P. По мнению авторов работы [8], высокая эффективность введения E-центров при 300 К обусловлена влиянием зарядового состояния вакансий на скорость их миграции, а также кулоновским взаимодействием электрона, захваченного вакансией, с положительно заряженным донором P⁺.

Если вакансия в самом деле заряжено отрицательно, тогда квазихимическая реакция образования E-центра запишется следующим образом: P⁺ + V^– ® E^– – e^–. Соответственно в процессе облучения при 300 К A-центры образуются по реакции V^– + O ® A – e^–.

A-центрам соответствует уровень с энергией E_A = E_с – 0.17 эВ. При 300 К они находятся в электронейтральном состоянии и могут вступать в квазихимичечскую реакцию с V: A + V^– ® (V₂ + O)^–. Этому центру соответствует уровень E_{V2 + O} = E_с – 0.50 эВ. При 300 К они заряжены отрицательно, и в силу электростатического взаимодействия вступление этих центров в реакцию с V^– маловероятно.

Поскольку E-центры при комнатной температуре заряжены отрицательно (энергия уровня E_E = E_с – 0.44 эВ), образование дивакансионного центра с присоединением V^– практически невозможно.

Также затруднено присоединение V^– к V₂, так как E_V2 = E_с – 0.39 эВ. При 300 К и они заряжены отрицательно. Следует отметить, что образование V₂ диффузионным механизмом в процессе облучения при 300 К из отрицательных моновакансий маловероятно. По-видимому, они образуются как первичные дефекты.

Действительно, как видно из рис. 1, в n‑Si, полученном зонной плавкой, при 300 К в процессе облучения протонами образуются A- и E-центры, дивакансии и комплексы V₂ + O. Уровень E_с – 0.50 эВ, соответствующий комплексу V₂ + O, нам не удалось обнаружить, хотя о существовании этого дефекта можно судить по увеличению концентрации электронов проводимости в процессе изохронного отжига в области температур T_отж ³ 500 °С [8].

Как известно [7], в кристаллах p‑Si при облучении электронами образуются вторичные РД типа B + V с энергией ионизаций E_v + 0.45 эВ. Атомы бора в кристаллах Si являются акцепторными центрами и поэтому при комнатной температуре они заряжены отрицательно. Отрицательные атомы бора не могут вступить в квазихимичечкую реакцию с отрицательно заряженными вакансиями. По-видимому, они являются носителями положительного элементарного заряда и РД типа B + V довольно эффективно образуются по реакцией B^– + V⁺ ® (BV)⁺ – h⁺. Согласно [1-3], межузельные атомы заряжены также положительно.

Исходя из изложенного можно заключить, что зарядовое состояние первичных РД определяет происходящие при облучении в кристаллах Si процессы.

4. Заключение

Таким образом проведенные исследования показали, что в кристаллах n‑Si вакансии в момент образования заряжены отрицательно, а межузельные атомы – положительно. В кристаллах p‑Si оба они являются носителями положительного заряда. Природа и энергетический спектр вторичных радиационных дефектов в кристаллах Si определяются зарядовым состоянием неравновесных вакансий, которые меняется в зависимости от дозы и температуры облучения исследуемых образцов.

Литература:

1. Л. С. Милевский, В. С. Гарнык. ФТП, 1979, 13, 1369.

2. Т. А. Пагава, З. В. Башелейшвили, В. С. Гарнык, Э. Р. Кутелия, Н. И. Майсурадзе. УФЖ, 2003, 48, 576.

3. З. В. Башелейшвили, Т. А. Пагава. ФТП, 1999, 33, 924.

4. В. В. Емцев, Т. В. Машовец. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. 1981, Москва, Радио и связь.

5. И. Д. Конозененко, А. К. Семенюк, В. И. Хиврич. Радиационные дефекты в кремнии. 1974, Киев, Наукова думка.

6. P. F. Lugakov, V. V. Lukyanitsa. 1984, Phys. Status Solidi A, 84, 457.

7. В. С. Вавилов, В. Ф. Киселев, Б. Н. Мукашев. Дефекты в кремнии и на его поверхности. 1990, Москва, Наука.

8. Л. С. Милевский, Т. А. Пагава. ФТП, 1976, 10, 1287.