Приповерхностные свойства полупроводников в условиях действия малодозового бета-облучения, магнитных и электрических полей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.2

ПРИПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ МАЛОДОЗОВОГО БЕТА-ОБЛУЧЕНИЯ, МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

© А.А. Дмитриевский, Н.Ю. Ефремова, А.В. Шуклинов, В.В. Коренков,

В.М. Васюков, П.А. Косырев, Д.Г. Гусева

Ключевые слова: полупроводники; малодозовое низкоинтенсивное бета-облучение; магнитные и электрические поля; механические свойства; приповерхностные слои.

Описаны закономерности изменения физических свойств полупроводниковых кристаллов в условиях индивидуального и комбинированного со слабыми магнитным и электрическим полями малодозового низкоинтенсивного бета-облучения.

Радиационные воздействия и индуцируемые ими эффекты наиболее детально исследованы в области средних доз, для которых типичны монотонные дозо-вые зависимости. Г ораздо менее изученными остаются области малых доз облучения, где зачастую наблюдаются немонотонные зависимости [1-5], физическая природа которых остается до конца не выясненной. Среди неорганических материалов наибольшую чувствительность к малым радиационно-индуцированным изменениям состояния дефектной подсистемы проявляют полупроводниковые кристаллы. В связи с этим в качестве объектов исследования выбраны типичные представители нескольких классов полупроводников, имеющих чисто ковалентную, ионно-ковалентную и молекулярную связи, такие как Si, GaAs, ZnS, фулле-рит ^о. Исследовали также структуры, состоящие из тонких пленок AlN или ^ на кремниевой подложке, имеющие перспективы практического использования.

Для полупроводниковой техники первостепенное значение имеют приповерхностные электрические свойства. В то же время развитие нанотехнологий в области микросистемной техники, МЭМС и НЭМС актуализирует изучение механических свойств полупроводников в субмикронном и нанометровом масштабах. Механические свойства играют существенную роль и на отдельных технологических этапах производства полупроводниковых приборов.

В реальных условиях эксплуатации устройства на основе полупроводников, как правило, испытывают одновременное воздействие полей различной природы. Следует признать явную недостаточность информации о комбинированном влиянии малодозового облучения и электромагнитных полей.

С учетом вышеизложенного целью работы являлось установление закономерностей изменения физических свойств приповерхностных слоев полупроводниковых кристаллов в условиях индивидуального и комбинированного со слабыми магнитным и электрическим полями малодозового низкоинтенсивного бета-облучения.

Выявлено изменение электрических (удельная проводимость, постоянная Холла), механических (микротвердость, скорость установившейся ползучести,

склонность к трещинообразованию) и адгезионных характеристик монокристаллов кремния, индуцируемое малодозовым ^ < 1013 см-2) низкоинтенсивным (I ~ 105 см-2с-1) бета-облучением со средней энергией электронов 0,20 МэВ для 9(^г и 0,93 МэВ для 9(^. Показано, что изменения свойств носят приповерхностный характер. Установлены толщина (~1 мкм) и глубина залегания (~2,5 мкм) наиболее модифицированного слоя.

Установлено, что указанные электрические характеристики проявляют меньшую чувствительность к действию малодозового бета-облучения, чем механические. Так, при одинаковых условиях облучения удалось зарегистрировать изменение удельной проводимости лишь на 0,3 % (при толщине образца ~10 мкм) и двухпроцентное изменение постоянной Холла, в то время как микротвердость изменяется на 10-12 %, а скорость установившейся ползучести - почти в 3 раза. Это обусловлено тем, что изменения свойств приповерхностных слоев (<3 мкм) «усредняются» основным объемом материала, не претерпевшим существенных изменений при малодозовом бета-облучении.

Установлен немонотонный во времени характер изменения микротвердости кремния в условиях мало-дозового низкоинтенсивного бета-облучения, что свидетельствует о многостадийности процесса преобразования подсистемы собственных и радиационных дефектов. Показано, что на динамику немонотонных изменений микротвердости существенное влияние оказывают тип и концентрация легирующей примеси. Выявлено, что варьирование химического состава атмосферы, в которой происходит облучение (воздух, азот, аргон, углекислый газ при нормальном давлении), способно вызывать качественные и количественные изменения зависимости микротвердости кремния от времени низкоинтенсивного бета-облучения. Облучение кремния в среде азота вызывает ускорение (по сравнению с облучением на воздухе) бета-индуцированных изменений микротвердости. При облучении образцов в среде аргона разупрочнение достигает почти вдвое больших значений. Необходимые для этого флюенсы увеличиваются пропорционально. Использование CO2 в качестве газа-наполнителя при облучении приводит к

1725

подавлению бета-индуцированных изменений микротвердости кремния. Это объясняется конкуренцией альтернативных каналов квазихимических реакций (с участием атомов легирующей и фоновой примеси), отражающейся на эффективности накопления вторичных радиационных дефектов, ответственных за изменения свойств кремния.

Установлено, что экспозиция монокристаллов ZnS и фуллерита С60 в поле бета-частиц (F < 1010 см-2) вызывает монотонное (с выходом в насыщение) разупрочнение. Качественный вид зависимости механических свойств от длительности облучения позволяет разделить материалы на два класса. Для одних (ZnS и фуллерита С60) характерны монотонные с выходом в насыщение дозовые зависимости свойств. Для других (Si, GaAs) типична бимодальная дозовая зависимость свойств, свидетельствующая о более сложных процессах преобразования дефектной подсистемы.

Обнаружено уменьшение относительной объемной доли металлизированной фазы Si-II, формируемой при внедрении индентора, индуцируемое малодозовым низкоинтенсивным облучением с параметрами, соответствующими первому максимуму разупрочнения кремния.

С помощью оригинального программного пакета произведен полуколичественный анализ массива рама-новских спектров, регистрируемых при сканировании деформированной области материала, и визуализированы (с высоким пространственным разрешением) распределения относительных объемных долей фаз Si-XII, Si-III и a-Si по тестируемой поверхности. Это позволило обнаружить и произвести полуколичественную оценку уменьшения относительной доли указанных фаз в отпечатке индентора под действием малодозово-го облучения бета-частицами.

Обнаружено влияние постоянных (индукция B = 0,28 Тл) и импульсных (индукция B = 1,58 Тл, длительность импульса t = 40 мс, количество импульсов N = 1200) магнитных полей на динамику бета-индуцированных немонотонных изменений микротвердости кремния. Действие магнитных полей объясняется возможностью спиновой конверсии синглет-триплетных состояний парамагнитных радикалов на промежуточных стадиях формирования вторичных радиационных дефектов, ответственных за изменения свойств кремния, и указывает на возможность управления ходом внутрикристаллических квазихимических реакций в дефектной подсистеме посредством комбинирования радиационных и магнитных полей.

Выявлено, что «наложение» электрического поля способно изменять динамику процесса бета-индуци-рованного преобразования дефектной подсистемы. Показано, что характер действия электрического поля (т. е. ускорение или замедление бета-индуцированных процессов) зависит от его полярности. Установлен пороговый характер влияния электрического поля (Ec ~ 350 В/см) на динамику бета-индуцированного изменения микротвердости кремния. Предложен механизм влияния электрического поля на процесс формирования вторичных радиационных дефектов, основанный на изменении эффективности стока отрицательно

заряженных вакансий (генерируемых облучением) к поверхности.

Двумя независимыми методами (изохронный отжиг на характерных стадиях бета-индуцированного изменения микротвердости и нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней) идентифицированы типы вторичных радиационных дефектов, ответственных за характерные стадии изменения микротвердости: установлено, что первый пик разупрочнения связан с накоплением комплексов V2-O-C, за второй пик отвечают комплексы V-O.

Предложена непротиворечивая физическая модель последовательности внутрикристаллических квазихи-мических реакций в подсистеме собственных и радиационных дефектов кремния, продуктом которых являются комплексы V2-O-C, учитывающая наличие альтернативных каналов реакций с участием атомов легирующей и фоновой примеси и возможность влияния на них внешних факторов нерадиационной природы. Предложенная модель может быть применимой для описания немонотонных изменений механических свойств при низкоинтенсивном облучении широкого спектра материалов, поскольку базируется на общепринятых представлениях о процессах радиационного дефектообразования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бадылевич М.В., Блохин И.В., Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Карцев С.В., Сучкова Н.Ю., Толотаев М.Ю. Немонотонные изменения концентрации радиационных дефектов донорного и акцепторного типов в кремнии, индуцируемые слабоинтенсивным бета-облучением // ФТП. 2006. Т. 40. № 12. С. 1409-1411.

2. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю., Бадытевич М.В. Многостадийное радиационно-стимулированное изменение микротвердости монокристаллов Si, инициируемое малоинтенсивным бета-облучением // ФТТ. 2005. Т. 47. № 7. С. 1237-1240.

3. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю. Влияние типа и концентрации легирующей примеси на динамику бета-индуци-рованного изменения микротвердости кремния // ФТТ. 2008. Т. 50. № 1. С. 26-28.

4. Дмитриевский А.А., Головин Ю.И., Васюков В.М., Сучкова Н.Ю. Влияние электрических полей на динамику изменений микротвердости кремния, индуцируемых низкоинтенсивным бета-облучением // Изв. РАН. Серия Физическая. 2008. Т. 72. № 7. С. 988-990.

5. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А. Эффекты влияния малых доз и интенсивностей радиационных и электромагнитных воздействий на свойства реальных кристаллов // ЖФМ. 2007. Т. 1. № 1. С. 11 -20.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа частично выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-0231223 мол_а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Dmitrievskiy A.A., Efremova N.Y., Shuklinov A.V., Koren-kov V.V., Vasyukov V.M., Kosyrev P.A., Guseva D.G. SURFACE PROPERTIES OF SEMICONDUCTORS IN CONDITIONS OF LOW-FLUX BETA-IRRADIATION, MAGNETIC AND ELECTRIC FIELDS

The regularities of physical properties changes of semiconductor crystals in the conditions of low-flux beta radiation individual and combined with weak magnetic and electrical fields are described.

Key words: semiconductors; low-flux of beta-irradiation; magnetic and electric fields; mechanical properties; surface layers.

1726