WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 11 Электростимулированное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах © А.А. Скворцов, А.М. Орлов, В.А. Фролов, А.А. Соловьев Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия E-mail: scvor@sv.uven.ru (Поступила в Редакцию 3 марта 2000 г.

В окончательной редакции 10 мая 2000 г.) В интервале температур T = 300-450 K исследованы движение краевых дислокаций и связанная с ним акустическая эмиссия Si (111) при протекании постоянного тока в направлении [110] плотностью 0.5-5 · 105 A/m2. Показано, что определяющим механизмом перемещения дислокаций является сила электронного ветра, определяющая величину эффективного заряда, приходящегося на один атом дислокационной линии Zeff = 0.06 (n-Si) и -0.01 (p-Si).

Согласование теории с экспериментом позволило установить основной вклад краевых дислокаций в акустиэмиссионный отклик исследуемых образцов кремния. Установлены характерные частоты переходов дислокаций в n- и p-Si из одного метастабильного состояния в другое: fmax = 0.1-0.5 Hz. Оценены численные значения коэффициентов диффузии атомов в дислокационной примесной атмосфере: 3.2 · 10-18 m2/s (n-Si) и 1.5 · 10-18 m2/s (p-Si).

Работа выполнена при финансовой поддержке Минвуза ”Деградационные процессы в многослойных тонкопленочных структурах” и гранта РФФИ № 98-02-0335.

Хорошо известно, что дислокации существенно влия- При проведении исследований первоначально анализиют на электрофизические свойства полупроводников [1]. ровалась дислокационная структура образца на предмет Подобно легирующим примесям дислокации в полу- преобладания краевой компоненты, после чего при компроводниках выступают в качестве электрически актив- натных температурах проводился электроотжиг дислоканых центров [2], движение которых изменяет электри- ционных и бездислокационных образцов с последующим анализом миграции линейных дефектов.

ческие свойства кристалла. Более того, наблюдается Влияние дислокационного ангармонизма на изменеих активное взаимодействие с легирующими атомами, ние модуля Юнга E регистрировалось при изгибе моприводящее к образованию примесных атмосфер [3,4].

нокристаллов кремния. Поскольку фактор анизотропии Такая перестройка оказывает определяющее влияние на кремния 1.5 [7] и скорость распространения звука поведение линейных дефектов во внешних возмущенных в различных направлениях отличаются незначительно полях. Наглядным примером подобного воздействия мо(2% [8]), для анализа можно использовать нелинейный гут служить опыты с элементарными полупроводниками, закон Гука для изотропных тел проведенные при высоких [1] или комнатных (TR) температурах с дополнительной механической догрузкой [1,5].

= E = E0 + 2 + 3; (1) Однако полученной здесь информации оказалось явно недостаточно для описания механизма электропластичевытекающая из него упругая энергия единицы объема ского эффекта в элементарных полупроводниках. Более кристалла того, практически отсутствуют сведения о транспортных 1 1 процессах в ядре дислокации при ее электростимулироW = E02 + 3 + 4. (2) 2 3 ванном движении при комнатных температурах. Поэтому целью данной работы и явилось изучение электроЗдесь и далее, — линейные комбинации модулей стимулированного транспорта отягощенных примесным упругости третьего и четвертого порядков соответственоблаком краевых дислокаций в кремнии при комнатных но (Pa), — упругая деформация, E0 — модуль Юнга температурах.

для линейного закона Гука.

Опыты проводились на бездислокационных кремние- Модуль в (2) является коэффициентом при нечетной вых пластинах n- и p-типа ориентации (111) размером степени упругой деформации, поэтому знакопеременный 60 12 0.4 mm с фиксированным значением удельного вклад этого члена в упругую энергию зависит от знака.

сопротивления в диапазоне = 0.05-0.005 · cm. Кра- Например, в случае прогиба ”верхняя” половина пластиевые дислокации вводились путем трехточечного изгиба ны испытывает сжатие относительно нейтрального слоя пластин в направлении [111] при температуре 1000C (3 < 0), а ”нижняя” — растяжение (3 > 0), так что в течение 30 min [6]. При изменении стрелы прогиба усреднение по сечению даст нуль [9]. В отличие от этого до 800 µm плотность дислокаций достигала 106 cm-2 и в слагаемом с любая знакопеременная деформация для каждого объекта была фиксирована. приводит к одному и тому же изменению W. При расчете Электростимулированное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах вклада дислокаций в нелинейные модули необходимо и статической 0 деформаций. Параметры колебаний в учитывать решеточный l, дислокационный d и концен- этом случае будут характеризоваться модулем Юнга [10] трационный1 c ангармонизм 3 2 hPL E = E0 1 + -. (5) = l + d + c. (3) 2 2E0 E0 6rPL Причем, согласно [10], при наличии дислокационной Здесь радиус кривизны rPL при малом прогибе определяструктуры ется второй производной от профиля пластины y(x). Для используемой схемы нагружения с фиксируемым рассто(1 + 3 - 7 sin2 )NdL44Ed = (4) янием между опорами профиль пластины описывается 160(1 + - 3 sin2 )4b2g3µизвестной функцией [10] и l d. Здесь — ориентационный фактор, 4x3 6xNd, L — плотность и длина дислокаций соответственно;

y(x) =d - + - 1, (6) = 0.27 — коэффициент Пуассона кремния; —угол p3 pмежду вектором Бюргерса b и осью дислокации [10].

Для краевой дислокации в кремнии знак модуля d здесь d —стрела прогиба.

положителен, а при преобладании винтовой компонен- Для определения модулей упругости использовалась ты — отрицателен. Поэтому, измеряя значение дисло- измерительная схема, представляющая собой автогенекационного образца с малой концентрацией носителей ратор с условием резонанса, определяемым суммарной заряда, можно судить о характере линейных дефектов в фазой 0.5LPL 0.5LPL полупроводнике.

dx 2 f dx Для экспериментальной проверки знака использо =2 f = v(x) vвался метод составного вибратора. К торцам пластин 3 2 hPL -0.5LPL -0.5LPL 1+ 2E0 2 приклеивались пьезокерамические датчики с двумя ме- E0 6rPL таллизированными гранями. Ширина датчиков максимально приближалась к ширине пластины. Длина дат= 2N, N = 1, 2, 3... (7) чиков составляла 6-8 mm.

E Изгиб образцов вдоль направления [111] производился Здесь v = — скорость звука в кристалле, dSi — dSi на специально изготовленном приспособлении с шароплотность кремния.

выми опорами диаметром 0.5 mm, уменьшающими влиИнтегрирование этого уравнения с учетом (5) и (6) яние контактов ”опора–кристалл” на передачу упругой позволяет получить выражение для относительного изэнергии. Прогиб пластин фиксировался микрометром с менения частоты генерации f = f - f0 ультразвуковых точностью ±2.5 µm. Максимальный прогиб кристалла в сигналов колебательной системы с деформируемой плацентре пластины при расстоянии между опорами 55 mm стиной составлял 800 µm. При больших деформациях наступало полное разрушение образцов.

f df 4h2 3 PL = (d)2 -. (8) Исследуемая пластина включалась в цепь обратной f f p3LPL 2E0 Eсвязи ВЧ-резонансного усилителя. Для контроля амплитуды резонансной частоты использовались осциллограф Здесь f0, d0 — частота автогенерации и стрела прогиба С1-83 и частотомер РЧЗ-07-0002. Измерение дефорпри отсутствии деформации, f, d — частота и стрела мационной зависимости скорости упругой волны полупрогиба при деформации изгибом, d = d - d0.

проводника проводилось в диапазоне 3-7MHz. ВнаДля удобства последующего анализа представим (8) с чале колебательный контур настраивался на резонансучетом (3) в виде соответствующих уравнений ную частоту с последующей трехминутной выдержкой во включенном состоянии для установления теплового f (hPL)2 3(p + c) = 4 fs, (9) равновесия и уменьшения дрейфа резонансной частоты.

(d)2 s p3LPL s 2EДалее снимались показания частотомера при нагрузке и разгрузке кристаллов. Относительное изменение частоты f (hPL)2 по причине дрейфа параметров внешней среды не превы4 fd (10) (d)2 d p3LPL d 2Eшало 10-5.

Если в полупроводниковой кремниевой пластине длидля бездислокационного (индекс ”s”) и дислокационноной LPL и толщиной hPL, подвергающейся трехточечного (”d”) кремния, в которых учтено отсутствие слагаему изгибу, возбудить продольные колебания, то полная мого при изгибе образцов.

деформация будет складываться из колебательной k Нетрудно видеть, что правые части уравнений (9) и (10) определяют тангенс угла наклона экспериментальПод концентрационным ангармонизмом понимается вклад свободных носителей заряда в нелинейный модуль упругости. ных кривых, построенных в координатах f (d)2, Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 2000 А.А. Скворцов, А.М. Орлов, В.А. Фролов, А.А. Соловьев 20–40 часов в термостате на специальном крепежном устройстве. В качестве токовых контактов использовалась In–Ga эвтектика.

После электротермического отжига в температурном интервале 300-450 K осуществлялось повторное травление и анализ изменения дислокационной картины.

Расстояние между дислокационными ямками измеряли с помощью микроскопа МИИ-4 при увеличении 450. В ряде экспериментов дислокационная структура образца до и после электроэкспозиции фотографировалась и пробеги анализировались по обмеру фотонегативов. Оба способа дали хорошо согласующиеся результаты.

Наряду с контролируемым травлением активно использовался метод акустической эмиссии (АЭ). Сигналы АЭ фиксировались пьезоэлектрическим датчиком, Рис. 1. Влияние стрелы прогиба d на изменение частоты колебаний образцов с различной плотностью дислокаций:

1 —8 · 104, 2 —7 · 105, 3 —2 · 106 cm-2.

а их разность дает величину дислокационного вклада в измеряемый модуль E0 p3LPL f = - p - c = 6 fd PL d d2 d hE0 p3LPL f -. (11) 6 fs h2 s d2 s PL Рис. 2. Осциллограмма сигнала U(t) акустической эмиссии, возникающей при электроотжиге кремниевых (0.005 Ohm·cm) Видно, что дислокационный вклад в соответствующий дислокационных пластин (4 · 105 cm-2) n-типа при плотности модуль может быть получен сравнением образцов тока j = 2.7 · 105 A/m2 и T = 410 K.

с различной плотностью дислокаций Nd. При этом исключаются эффекты, связанные с вкладом свободных носителей в нелинейный модуль.

Типичные результаты этих исследований приведены на рис. 1. Нетрудно видеть, что для дислокационной структуры n-кремния d > 0, что свидетельствует о краевом характере изучаемых дислокаций. Аналогичная ситуация наблюдается и для p-кремния.

Таким образом, используемые режимы деформации как донорного, так и акцепторного кремния способствуют появлению преимущественно краевых дислокаций с углом между вектором Бюргерса и осью дислокации 900, непосредственно следующим из (4). x Анализ подвижности краевых дефектов в электрическом поле осуществлялся акусто-эмиссионными методами [11] и избирательным травлением поверхности полупроводника [12]. Для этого пластины кремния химически полировались, и после отжига под нагрузкой осуществлялось стартовое травление для выявления первоначального положения дислокаций.

Рис. 3. Спектральная плотность мощности сигнала акустиТоковая выдержка без дополнительной механической ческой эмиссии после Фурье-преобразования сигнала U(t).

нагрузки ( j = 1-7 · 10-5 A/m2) производилась в течение Главная кривая — сглаживание сигнала U().

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Электростимулированное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах лежащим на поверхности исследуемой пластины [11].

Электрический отклик с датчика U(t) (рис. 2) подавался на запоминающий осциллограф С9-8. Далее информация передавалась в ЭВМ для расчета спектрального состава сигнала АЭ U() с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье по методу периодограмм Уэлча [13]. Типичный спектр акустоэмиссионного отклика в процессе электротермического отжига дислокационного кремния представлен на рис. 3.

Результаты исследования показали, что наличие устойчивого АЭ отклика с дислокационных образцов при электроотжиге связано с движением дислокаций. Это подтверждается как кардинальным отличием акустоэмиссии дислокационных и бездислокационных кремниевых пластин, так и возрастанием амплитуды сигнала АЭ с увеличением плотности дислокаций в образцах при неизменных параметрах электроэкспозиции [11].

Известно, что влияние электрического поля на дислокации складывается [12,14–16] из сил ионного увлечения Рис. 4. Распределение дислокационных пробегов () в n-креми электронного (дырочного) ветра нии (Nd = 5 · 1024 m-3) при электроотжиге j = 0.5 · 105 A/m2.

Feff = eZiNat + epiplpNat - eninlnNat E = eZeffNatE, (12) связан с переходом дислокации (или ее фрагмента) в здесь in и ip — средние сечения рассеяния электронов и дырок, отнесенные к одному атому на линии дислока- соседнее метастабильное состояние с диффузионным увлечением атомов примеси к ее новому положению.

ции; Nat — число атомов на линии дислокации; n, p, ln В этом случае дислокация может двигаться только в виде и lp — равновесные концентрации и длины свободного объекта ”дислокация–примесное облако” [17]. Причем пробега электронов и дырок; e — элементарный заряд;

Zi и Zeff — кулоновский и эффективный заряды, при- движение такой системы контролируется диффузией растворенных атомов в ядре дислокации [14,17].

ходящиеся на один атом дислокационной линии. Знак эффективного заряда дислокации определяет направле- Таким образом, при наличии постоянной силы F терние действия сил электропереноса. Полная сила, опре- мически активированное движение ”отягощенной” дислокации описывается уравнением [3,14] деляющая движение линейного дефекта со скоростью V, записывается в виде Ep2 - Fb V = V0 exp -, (15) c0L VrkT F = eZeffNatE-Ft(V) =ZeffNatE- V ln, (13) 2DdkT Dd которое примет вид где Ft — сила торможения дислокации, зависящая от Ep2 - eZeffNatEb + Ftb ее длины L, коэффициента диффузии атомов в атмосфеV = V0 exp -, (16) kT ре Dd, равновесной концентрации примеси в бездефектной области кристалла c0 и размерной константы.

где Ep2 — барьер Пайерлса II рода.

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.