WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 4 Влияние кластеров дефектов на перераспределение легирующей примеси в n- и p-Si0.7Ge0.3 в процессе реакторного облучения © А.П. Долголенко Институт ядерных исследований Национальной академии наук, 252028 Киев, Украина (Получена 15 апреля 1998 г. Принята к печати 7 сентября 1998 г.) Образцы n- и p-типа проводимости твердого раствора кремний–германий с удельным сопротивлением (1 2 · 10-3 Ом · см, легированные естественной смесью изотопов фосфора и бора, были исследованы в процессе облучения в активной зоне реактора BBP-M при температуре (200 500)C. Дозовая зависимость удельного сопротивления и термоэдс образцов описана в рамках теории эффективной среды. Оказалось возможным детально ее вычислить при условии, что кластеры являются эффективными зародышами для осаждения легирующих примесей. Определены объемы захвата кластерами легирующих примесей бора и фосфора в процессе облучения и вычислены среднестатистические радиусы кластеров дефектов и сечение их введения. Показано, что преципитация фосфора в основном уменьшает концентрацию носителей в проводящей матрице образца при облучении, а захват бора изменяет концентрацию носителей в кластерах.

Введение Эксперимент Интерес к поведению в реакторе высокотемператур- Исследованы образцы n- и p-типа проводимости тверных материалов на основе твердого раствора кремний– дого раствора кремний–германий с удельным сопротигерманий обусловлен в первую очередь поиском тер- влением (1 2) · 10-3 Ом · см, полученные методом морадиационностойких термоэлектрических материа- высокотемпературного спекания и легированные естественной смесью изотопов фосфора и бора. Облучелов [1–3]. В литературе крайне мало исчерпывающих данных о поведении бора и фосфора в кубической решет- ние проводилось в активной зоне реактора ВВР-М при температуре (200 500)C в смешанном нейтронном ке в общей картине накопления и отжига радиационных поле. Измерения удельного сопротивления и термоэдс дефектов, созданных нейтронами реактора.

осуществлялись в процессе облучения и полученная Тем не менее авторы работы [4] установили, что фосинформация, накопленная в компьютере, в дальнейшем фор при уровне легирования порядка 1019 см-3 остается обрабатывалась и анализировалась. На рис. 1, 2 представ решетке кремния в замещающем положении вплоть до влены экспериментально определенные данные удельнотемпературы 200Cкак приотжиге, такиприоблучении го сопротивления и абсолютной термоэдс для образцов нейтронами, а бор (до 95 %) переходит в комплекn- и p-Si0.7Ge0.3 с исходными концентрациями носителей сы дефектов и может быть восстановлен при 400C.

n0 = 1.24 · 1020 см-3 и p0 1.08 · 1020 см-3 после При высокотемпературном облучении полупроводников основными дефектами остаются кластеры, окруженные областями пространственного заряда. Любые подвижные дефекты размером 10 могут в этих областях, где напряженность электрического поля возможно достигает 106 B · см, приобрести от поля энергию порядка 0.1 эВ [5, 6].

Электрические и деформационные поля, возникающие вокруг кластеров, не только способствуют удержанию дефектов [7], но и в дальнейшем активно взаимодействуют с примесями [3, 6]. Авторы [6], изучая влияние внутренних полей в нейтронно-облученном кремнии, показали, что положительно заряженные атомы лития, попадая в объем захвата кластера, уменьшают его отрицательный заряд. Потеря лития из проводящего объема пропорциональна плотности введенных дефектов. Поэтому вопрос о реакциях с участием бора и фосфора при нейтронном облучении актуален не только в связи с использованием нейтронного легирования, но и в Рис. 1. Зависимости удельного сопротивления сплава связи с проблемами радиационной стойкости высокоSi0.7Ge0.3 от флюенса быстрых нейтронов (температура облучелегированных полупроводниковых термоэлектрических ния 420C): 1 —образец p-типа, 2 —образецn-типа; сплошные материалов. линии — расчет.

406 А.П. Долголенко однако, неспособны, стягиваясь, образовать скопления или по крайней мере зародыши последующего сгущения вакансионных образований, которые затем могли бы превратиться в скопления дефектов.

Оценим эффективность образования кластеров дефектов с учетом рассеяния ядер Li с наиболее вероятной энергией порядка 1 МэВ на атомах кремния или германия. Предположим, что при захвате теплового нейтрона ядром В рождается, в среднем, один кластер дефектов.

Тогда сечение образования кластеров дефектов, приведенное к потоку быстрых нейтронов (), равно =apR+1, (1) где a — сечение захвата тепловых нейтронов В (a = 3838 барн) ; p, — концентрация легирующей Рис. 2. Зависимости коэффициента термоэдс сплава примеси и доля атомов В; R — отношение плотностей Si0.7Ge0.3 от флюенса быстрых нейтронов. Тип образца и потоков тепловых и быстрых нейтронов; 1 —макротемпература облучения: 1 — p-тип, 430C, 2 — n-тип, 450C.

скопическое сечение образования кластеров дефектов, обусловленное рассеянием быстрых нейтронов. Тогда число рожденных кластеров дефектов (Nk) равно их облучения различными дозами быстрых нейтронов.

Nk =, (2) Наблюдаемое изменение удельного сопротивления и термоэдс в зависимости от флюенса быстрых нейтронов где — флюенс быстрых нейтронов с энергией обычно можно описать в рамках теории эффективной En 36 кэВ.

среды как переход от начальной проводимости к прово- Как показано в работе [7], учет деформационнодимости областей с введенными дефектами [8]. электростатических полей дефектов при формировании областей разупорядочения существенно повышает концентрацию дивакансий в нарушенной области. В рабоТеория те [3] предполагается, что также и после сформирования кластера дефектов наличие деформационного и Вработе [9] показано, что нейтроны с энергией выше электростатического полей вокруг нарушенной области 36 кэВ способны создавать в кремнии кластеры дефекслужит зародышем для осаждения меди в p-Cu2Se. Медь, тов. Вероятность их введения быстрыми нейтронами в высадившаяся в объеме захвата кластеров, оказывалась n- и p-Si0.7Ge0.3 равна и составляет = 0.15 см-1, там электрически неактивной, тогда как концентрация если предположить, что каждый рассеянный нейтрон дырок в проводящей матрице селенида меди возрастала.

создает кластер дефектов независимо от температуры Естественно предположить, что кластеры дефектов облучения. Такое предположение основано на том, что могут являться стоками также и для легирующих приесли повышенная температура облучения приводит к месей с малым коэффициентом диффузии в процессе отжигу кластеров малого размера, то высокий уровень облучения при достаточно высоких температурах, сулегирования образцов твердого раствора Si–Ge может ществующих в реакторе. Поэтому для более детального приводить к пространственному разделению образуемых описания дозовой зависимости удельного сопротивления субкаскадов. Авторы работы [10] рассчитали методом и термоэдс в образцах n-Si0.7Ge0.3 мы предположим, Монте–Карло размеры каскадов, созданных первично что легирующая примесь фосфора при их облучении в выбитыми атомами от висмута до азота в кремнии, и реакторе при температуре порядка 420C как в силу показали, что с уменьшением массы первично выбитого естественной преципитации на собственных дефектах в атома растет размер среднего каскада и возможно обра- начале облучения, так и при последующем осаждении на зование изолированных субкаскадов. Так как образцы кластерах будет терять свою электрическую активность.

p-типа были легированы естественной смесью изотопов Обычно преципитация фосфора до облучения составляет бора, тепловые нейтроны могут взаимодействовать с 40 % своего первоначального уровня легирования 10 В по реакции B(n, )7Li. В результате образуют- (n0 = 1.24 · 1020 см-3). Так как температура облучения ся -частицы и ядра Li, суммарная энергия которых образцов n, p-Si0.7Ge0.3 превышала 400C, не только составляет 2.66 МэВ. Учет образования кластеров при атомы фосфора оставались электрически активными в рассеянии -частиц (E = 1.69 МэВ) приведет к изме- процессе облучения (если только они не оказывались нению сечения образования кластеров за счет быстрых захваченными кластерами дефектов или собственными нейтронов всего на 2 %. В конце пробега -частиц обра- дефектами), но и атомы бора сохраняли свою электризуется повышенная концентрация дефектов, которые, ческую активность как в проводящей матрице образцов, Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Влияние кластеров дефектов на перераспределение легирующей примеси в n, p-Si0.7Ge0.3... n, P1, P, r1, ra, Параметр Тип материала y 1020 см-3 1018 см-3 1019 см-3 10-8 см 10-8 см, мкВ/К p 1.08 1.0 0.35 47 26.5 1., мкВ/К n 0.73 6.3 -2.0 41 47.0 0., Ом · см p 1.08 1.0 0.35 42 33.0 1., Ом · см n 0.73 6.3 -2.0 38 47.0 0.так и при захвате в кластеры. Тогда изменение концен- Для более детального описания экспериментальной затрации носителей в проводящей матрице n-Si0.7Ge0.3 и в висимости удельного сопротивления от дозы облучения кластерах дефектов, созданных в p-Si0.7Ge0.3 ядерным из- (флюенса быстрых нейтронов) в данной работе при релучением реактора, прямо пропорционально доле объма шении уравнений (6) учитывалось изменение концентразахвата кластеров ции носителей согласно уравнениям (3–5). Результаты расчета представлены в таблице, где n — концентрация P = P[1 - exp(-Va)]. (3) носителей после часа облучения в реакторе.

Концентрацию дефектов (Nd) в кластерах, созданных Здесь P — максимальная концентрация бора или фоснейтронами при полном их перекрытии, можно опредефора, высадившихся в объеме захвата кластеров или лить, измеряя концентрацию носителей в образце до и же ушедшая из проводящей матрицы образцов соотпосле облучения :

ветственно p-, n-Si0.7Ge0.3; V (4/3)ra — объем захвата дефектов радиусом ra. Следовательно, удельная Nd = N0 - N, (8) проводимость матрицы n-Si0.7Ge0.3 равна где N0, N — концентрация носителей до и после облуn 0 = qnµn, (4) чения. Используя соотношение между проводимостью, постоянной Холла и холловской подвижностью носигде q — заряд электрона, µn — подвижность электронов телей заряда, можно описать изменение коэффициента в n-Si0.7Ge0.3 до облучения, n = n-p — концентрация термоэдс от дозы облучения () согласно следующим носителей в проводящей матрице. Проводимость единивыражениям [8]:

цы объема кластера, созданного в p-Si0.7Ge0.3, можно определить как R = hR0, µ = gµ0, p 1 qpµp, (5) h = g/ f, y = µ1/µ0, где µp — подвижность дырок в объеме кластера образцов p-типа, p = p1 +p — концентрация носителей в (2 f + 1)2(1 - C)(1 - xy) -g = f 1 -, (9) кластерах.

(2 f + 1)2(1 - C) +(2 f +x)2C Теория эффективной среды, содержащей высокоомные где R0, R — постоянные Холла до и после облучения кластеры дефектов с проводимостью 1 в проводящей флюенсом; µ0, µ — подвижность носителей заряда до и матрице образца с проводимостью 0 [8], дается следупосле облучения; µ1 — подвижность носителей заряда ющими выражениями:

при перекрытии кластеров.

1/x При облучении в канале реактора измерялся коэфeff = f 0; f = a + a2 +, 2 фициент дифференциальной термоэдс, что позволило рассчитать абсолютную термоэдс. Будем считать, что 1 3 1 x в случае простой параболической зоны материала на a = C - (1 - x) + ; x=1/0, (6) 2 2 2 основе твердого раствора кремний–германий фактор рассеяния (r = 1) не изменяется в процессе реакторного где eff — проводимость образца с введенными кластеоблучения при температуре (200500)C. Это позволяет рами дефектов, C — доля проводящего объема.

не только находить концентрацию носителей по экспериУчитывая известное выражение для доли непровоментальным значениям термоэдс (), но используя уравдящего объема, занятого кластерами дефектов, можно нения теории эффективной среды (6) и (9), рассчитывать показать, что термоэдс методом:

C = exp(-V ), (7) -где V (4/3)r1 — объем кластера радиусом r1.

(F1/2) =cspline[P0h-1Nv ], (10) Совместное решение уравнений (6) при условиях (1) и (7) позволяет вычислить средний радиус кластеров где F1/2 — интеграл Ферми степени 1/2, Nv — плотность дефектов, созданных нейтронным облучением в образ- состояний в зоне проводимости, P0 — концентрация цах n-, p-Si0.7Ge0.3 при температуре порядка 700 K [3]. носителей в проводящей матрице образца.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 408 А.П. Долголенко Матрица для процедуры cspline вычислялась из из- После учета перераспределения легирующей примеси вестной зависимости термоэдс от приведенного уровня в процессе облучения, выгорания В в p-Si0.7Ge0.3 и Ферми для параболической зоны при факторе рассея- преципитации фосфора в n-Si0.7Ge0.3 на собственных ния r = 1. дефектах концентрация дефектов в кластерах, созданных в образцах n-типа, оказалась равной 9.8 · 1019 см-3, а в образцах p-типа — 9.6 · 1019 см-3. При этом Результаты предполагалось, что при образовании кластеров вблизи мест осаждения атомов фосфора восстанавливается их Таким образом, используя уравнения теории эффекэлектрическая активность.

тивной среды (6), (9) и учитывая перераспределение легирующих примесей бора и фосфора согласно (3)–(5), были описаны экспериментальные данные дозовых зави- Заключение симостей удельного сопротивления и термоэдс в образТаким образом, показано, что облучение реакторными цах Si–Ge.

нейтронами высоколегированных материалов, в частноАнализ экспериментальных данных по термоэдс в рамсти, на основе твердого раствора кремний–германий ках теории эффективной среды выявил рост подвижности при повышенных температурах порядка 700K приводит носителей заряда в p-типе и уменьшение подвижности к пространственному перераспределению легирующих в n-типе сплава Si0.7Ge0.3 (до облучения они состапримесей в образцах. Примеси в процессе облучения вляли µn 50 см2/В · с и µp 40 см2/В · с для взаимодействуют с электрическими и деформационными электронов и дырок при комнатной температуре). Однаполями кластеров дефектов, создаваемых нейтронами ко рассчитанные коэффициенты изменения подвижности реактора. Фосфор в процессе облучения теряет свою носителей (y) этих материалов не соответствуют их электрическую активность не только за счет преципивеличинам, измеренным после облучения (подвижность тации на собственных дефектах, но и на введенных носителей в n-Si0.7Ge0.3 уменьшилась примерно в 10 раз, кластерах дефектов, являющихся зародышами для его а в p-Si-0.7Ge0.3 возрасла всего примерно в 1.4 раза).

осаждения. Бор при такой температуре облучения не На наш взгляд, это обусловлено наличием потенциальтеряет своей электрической активности в образцах, даже ных и деформационных полей, окружающих кластеры если он втягивается электрическим полем в нарушенную дефектов, которые исчезают при полном перекрытии область кластера. Развитая модель дефектообразования кластеров при высоких флюенсах облучения.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.