CC BY
88
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ С КЛАСТЕРАМИ АТОМОВ НИКЕЛЯ В КРЕМНИИ
Х.М. Илиев, З.М. Сапарниязова, К.А. Исмайлов, О.Э. Саттаров, С. Нигмонхаджаев
Ташкентский государственный технический университет, ул. Университетская-2, г. Ташкент, 100095, Республика Узбекистан, mzlixa@mail.ru
Одним из простейших способов, не требующих дорогостоящего технологического оборудования для создания наноструктур в полупроводниках, является формирование в объеме кристаллической решетки кластеров примесных атомов с управляемой концентрацией и структурой [1, 2].
В работе [3] показано, что при определенных термодинамических условиях легирования так называемой «низкотемпературной диффузии» могут формироваться кластеры примесных атомов (N1, Оё, Мп, 8) в решетке кремния. В таких материалах обнаружен ряд новых физических явлений [3-4], свидетельствующих об интересных функциональных возможностях полупроводников с нанокласте-рами, которые могут быть использованы при разработке принципиально новых приборов электроники и наноэлектроники.
Поэтому представляет определенный научный и практический интерес исследование влияния радиационного облучения у-квантами на состояние примесных кластеров и на свойства кремния с такими кластерами. Такие исследования, с одной стороны, позволяют оценить радиационную стойкость материала с кластерами и возможность использования приборов, изготовленных на основе таких материалов в условиях повышенной радиации, а с другой стороны - определить состояние кластеров при облучении и взаимодействие их с радиационными дефектами.
На основе новой технологии [3] нами были изготовлены образцы кремния, легированные никелем. При этом исходным образцом служил промышленный монокристаллический кремний «-типа с удельным сопротивлением р=20-100 Ом-см и р-типа с р~100 Ом-см. Условия легирования выбирались такими, чтобы получить образцы с различной плотностью кластеров и концентрацией электроактивных атомов. Состояние и плотность кластеров атомов никеля в кремнии исследовались инфракрасным микроскопом МИК-5 с максимальной кратностью увеличения. Концентрация электроактивных атомов никеля определялась из измерения эффекта Холла с учетом энергетических уровней никеля в запрещенной зоне кремния. На основе этих результатов образцы были разделены на три группы. Первая - образцы с максимальной концентрацией электроактивных атомов N~2•1014 см-3 и с максимальной плотностью кластеров /~106-107 см-2 , полученные на основе кремня КЭФ-20. Вторая -образцы на основе кремния /»-типа с р~200 Ом-см и концентрацией электроактивных атомов никеля N~(5-7)•1013 см-3 и плотностью кластеров /~104 см-2. Третья - образцы, полученные на основе кремния «-типа, с р~60 Ом-см и такой же плотностью кластеров электроактивных атомов никеля, как у II группы образцов. Основные электрофизические параметры этих образцов до и после легирования приведены в таблице.
Электрические параметры образцов после диффузии и облучения
Группа образцов До диффузии После диффузии После у-облучения
[06Р 107 Р 08Р 09Р
ТП p, Ом-см ТП p, Ом-см ТП P, Ом-см ТП P, Ом-см ТП P, Ом-см ТП P, Ом-см
I п 20 п 1,4-104 Р 9,7-103 р 8-102 р 19 р 10
II р 2-102 Р 2,8-102 Р 1,9-102 р 1,75-102 р 2-102 р 2,5-102
III п 2-102 п 4,2-104 п 4,4-104 п 4,2-104 п 4,1 -104 п 4,6-104
I. п 20 п 20 п 25 п 27 п 30 п 48
Пк р 102 р 102 Р 102 р 102 р 8-102 р 1,5-102
Шк п 2-102 п 2-102 п 2-102 п 3,2-102 п 9-104 п 5-104
Примечание. 1к, 11к, Шк - контрольные образцы, ТП - тип проводимости, р- электрическое удельное сопротивление
© Илиев Х.М., Сапарниязова З.М., Исмайлов К.А., Саттаров О.Э., Нигмонхаджаев С., Электронная обработка материалов, 2011, 47(5), 12-14.
На рис. 1 представлено распределение кластеров в полученных образцах. Расчет показывает, что плотность кластеров можно изменить в зависимости от условий легирования (/~10 -10 см- ). Размеры кластеров й = 0,1-10 мкм. Если учесть, что основная часть введенных атомов никеля в кремний находится в электронейтральном состоянии (99,9%), а максимальная концентрация электроактивных атомов составляет К~4-1014 см-3 [5], то можно предполагать, что кластеры состоят в основном из электронейтральных атомов.
Рис. 1. Распределение кластеров атомов никеля в образцах Si<Ni>
Образцы I, II и III групп подвергались у-облучению Со60 с £=1,17 МэВ и интенсивностью 3000 р/с в идентичных условиях. После каждого этапа облучения измерялись электрические параметры и распределение кластеров.
Следует отметить, что кластеры по всему объему кристалла распределены равномерно, о чем свидетельствуют результаты исследования состояния кластеров в образцах, которые подвергались поэтапной шлифовке с поверхности по 50 мкм до половины толщины образцов.
Как видно из таблицы, первая группа образцов после легирования становится «-типа с р~104 Ом-см, и с ростом дозы облучения в ней происходит инверсия типа проводимости, то есть материал становится р-типа, а удельное сопротивление уменьшается и достигает 10 Ом-см при высоких дозах облучения.
Исследование температурной зависимости постоянной Холла и фотопроводимости таких образцов показало, что в них наблюдается энергетический уровень с энергией ионизации E = Ev+0,2 эВ, который соответствует уровню атомов никеля в кремнии [6]. Таким образом, можно утверждать, что в таких образцах в процессе облучения увеличивается концентрация электроактивных атомов никеля.
Эти результаты можно объяснить тем, что вакансия, возникающая при облучении, видимо, взаимодействует с кластерами и захватывает атомы никеля, что и приводит к увеличению концентрации электроактивных атомов никеля. Установлено, что с помощью облучения концентрацию электроактивных атомов никеля можно увеличить на 1,5-2 порядка. Результаты исследования состояния кластеров в таких образцах показали, что существенных изменений в них практически не происходит. Это, видимо, связано с тем, что концентрация электроактивных атомов никеля составляет около 0,5-1% от общей концентрации никеля, введенного в кремний.
Во второй и третьей группах образцов наблюдаются очень интересные явления. Так, с ростом дозы облучения электрические параметры этих образцов практически не меняются, хотя они имели достаточно высокие удельные сопротивления после легирования как «-типа (II группа образцов), так и р-типа (III группа образцов). В то же время свойства контрольных образцов без кластеров атомов никеля с такими же электрическими параметрами существенно изменяются (см. таблицу). На основе этих результатов можно утверждать, что при формировании небольшой плотности кластеров примесных атомов и концентрации электроактивных атомов никеля можно получить материал с высокой радиационной стойкостью до достаточно высоких доз облучения 109 Р. Исследования методом ИК микроскопии показали, что в образцах II и III групп в процессе облучения существенно меняются состояние и плотность кластеров, то есть вместо однородного распределения кластеров появляются так называемые «вакансионные петли» с различной ориентацией. Эти вакансионные петли состоят из многочисленных взаимосвязанных кластеров (рис. 2).
Эти результаты показывают, что, когда плотность кластеров невысокая, они могут захватывать как вакансии, так и междоузельные атомы кремния, то есть они являются центрами аннигиляции для радиационных дефектов.
о
Рис. 2. Образование вакансионных петель, состоящих из кластеров атомов никеля Таким образом, можно однозначно утверждать, что, управляя плотностью кластеров (когда /~106^107 см-3) атомов никеля в решетке кремния, можно заметно увеличить концентрацию электроактивных атомов никеля и существенно повысить радиационную стойкость кремния при / ~105^104 см-3, что трудно достигнуть другими методами.
Авторы выражают благодарность профессору М.К. Бахадырханову за обсуждение и интерес к работе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мильвидский М.Г., Чалдышев В.В. Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках - новый подход к формированию свойств материалов. Физика и техника полупроводников. 1998, 32(5), 513-522.
2. Суздалев И.П. Нанотехнология:физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Ком Книга, 2006. 592 с.
3. Бахадырханов М.К., Аюпов К.С., Илиев Х.М., Мавлонов Г.Х., Саттаров О.Э. Влияние электрического поля, освещенности и температуры на отрицательное магнетосопротивление в кремнии, легированном по методу «низкотемпературной диффузии». Письма в ЖТФ. 2010, 36(16), 11-18.
4. Бахадырханов М.К., Мавлонов Г.Х., Аюпов К.С., Исамов С.Б. Отрицательное магнитосопротивле-ние в кремнии с комплексами атомов марганца [Mn]4. Физика и техника полупроводников. 2010, 44(9), 1181-1184.
5. Бахадырханов М.К., Аюпов К.С., Арзукулов Э.У., Сражев С.Н., Тошбоев Т.У. Термические свойства кремния с кластерами атомов никеля. Известия высших учебных заведений. ФИЗИКА. ТГУ. 2008, (11/3), 170-172.
6. Болтакс Б.И., Бахадырханов М.К., Городецкий С.С., Куликов Г.С. Компенсированный кремний. M.: Наука, Л., 1972. 120 с.
Поступила 10.02.11 После доработки 09.03.11
Summary
In the article on the base of infrared microscopic investigations it is shown that clusters of nickel atoms impurity are equally distributed on the whole volume of the silicon crystal, as well as at gamma irradiation by changing density of clusters in silicon it is possible to control the concentration of electroactive atoms, as well clusters structure of nickel. It is shown, that presence of clusters in lattice essential increase radiation stability of silicon.
