WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Термоэлектрические свойства облученных ионами водорода кристаллов кремния при сверхвысоком давлении до 20 GPa © С.В. Овсянников, В.В. Щенников, И.В. Антонова, Вс.В. Щенников, С.Н. Шамин Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620041 Екатеринбург, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия E-mail: vladimir.v@imp.uran.ru (Поступила в Редакцию 29 марта 2005 г.) Проведены исследования величины термоэдс S при высоком давлении P до 20 GPa для образцов p-Si, содержащих тонкий гидрогенизированный слой. В области фазового перехода в решетку со структурой белого олова (P 10 GPa) обнаружено снижение значений S у образцов с гидрогенизированным слоем по сравнению с исходными образцами p-Si. В то же время значения S у металлических фаз высокого давления со структурой -Sn, орторомбической (выше 12 GPa) и простой гексагональной (выше 16 GPa), примерно одинаковы для разных групп образцов. Изменение кристаллической структуры после обработки давлением исследовано с помощью ультрамягкой рентгеновской спектроскопии. Наблюдаемое снижение величины S после обработки давлением предположительно связано с образованием аморфной фазы наряду с метастабильной фазой Si-III.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-02-16178) и INTAS (N 03-55-629).

PACS: 61.10.Eq, 64.70.Kb, 72.20.Pa 1. Введение электронной проводимости, поэтому влияние таких слоев на термоэлектрические свойства p-Si можеть быть заметным.

Кристаллический и аморфный кремний являются основными материалами, используемыми в твердотельной электронике и оптоэлектронных технологиях [1–4].

В частности, считаются весьма перспективными слои 2. Методика эксперимента аморфного гидрогенизированного кремния, создаваемые на поверхности Si методами ионно-плазменного осаждеИсходным материалом служили пластины кремния или низкоэнергетической ионной имплантации [4].

ния, выращенные методом Чохральского, с ориентациИсследование электрофизических свойств гетерострукей (100). Имплантация водорода проводилась из имтур Si : H/p-Si, полученных имплантацией водорода, предпульсного источника ионов с энергией 3-23 keV. Доза ставляет интерес для развития технологии получения варьировалась в интервале 2 · 1016-3 · 1017 cm-2. Изтаких материалов [5]. Метод термоэлектрических исмерения термоэдс S(P) и электросопротивления R(P) следований полупроводников при высоком давлении в камерах из проводящих синтетических алмадо 30 GPa [6–8] оказался весьма эффективным для ре- зов [6–8] проводились на микрообразцах размером гистрации изменений в кристаллической и электронной 200 200 40 µm, вырезанных ультразвуковым меструктурах кремния, происходящих при повышении и тодом из имплантированного водородом поверхностснижении давления вследствие многочисленных фазо- ного слоя (обозначены далее символом „A“), а таквых переходов [7,8]. Этот метод позволяет определять же из объема кремниевых пластин (обозначены датип и концентрацию носителей заряда в микрообразцах, лее символом „B“). Вырезанные из поверхностного а также изучать изменения электронной структуры в слоя образцы содержали гидрогенизированный слой широком диапазоне давлений [6–9]. В настоящей работе толщиной 0.3 µm [4] на кристаллической кремниевой применен данный метод для исследования в интерва- подложке толщиной около 40 µm. Термоэлектрические ле давлений до 20 GPa термоэлектрических свойств свойства измерялись в направлении, перпендикулярном кристаллов Si с аморфным гидрогенизированным слоем слоям. Альтернативные методы исследований термоэдс на поверхности, созданным имплантацией ионов водоро- в камерах со сжимаемой капсулой [13], а также в прода. Термоэдс гидрогенизированных слоев кремния [10], зрачных алмазных наковальнях с имплантированными как и пористого кремния [11,12], обычно имеет отри- контактами [14] до настоящего времени ограничены цательный знак, свидетельствующий о доминирующей диапазоном гидростатических давлений до 12 GPa.

Термоэлектрические свойства облученных ионами водорода кристаллов кремния при сверхвысоком... Давление в сжимаемой прокладке из литографского камня определялось с помощью градуировочных зависимостей, построенных по регистрации фазовых превращений в реперных веществах ZnSe, CdTe и т. д. с погрешностью 10% [6–8]. Для создания градиента температур одна наковальня нагревалась, и с помощью термопар измерялись температуры в фиксированных точках наковален. Методика измерений S(P) и R(P) описана в [6–9]. Измерения проводились с помощью автоматизированной установки, позволяющей одновременно регистрировать значения давления, разности температур, сигнал от образца, сжатие образца и другие параметры эксперимента [7–9]. Погрешности определения S(P) и R(P) не превышали 20 и 5% соответственно.

Изменение размеров образца при сжатии не учитывалось. Точность определения термоэдс контролировалась по измерениям свинца марки „ОСЧ“, термоэдс которого близка к нулю: S -1.27 µV /K [15,16].

Для тестирования образцов до и после обработки давлением использовалась методика ультрамягкой рентгеновской спектроскопии [4,17,18]. Рентгеновские эмиссионные Si L2-3-спектры снимались при ускоряющем напряжении на трубке 8 kV и токе 1000-1200 nA. Размер зонда составлял 5-10 µm. Спектр возникает вследствие перехода электронов с 3 s- и 3 d-уровней на вакансии 2 p-уровня [4,17]. Как показали исследования образцов Si, обработанных высоким давлением 16 GPa, L2-3-спектры чувствительны к структурному состоянию кремния и отчетливо различаются для аморфной и кристаллической (алмазоподобной) модификаций Si [17,18].

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение На зависимостях термоэдс от давления заметна разниРис. 1. Зависимости термоэдс S от давления P при T = 293 K ца между образцами типа „A“ и „B“(рис. 1, см. таблицу), для образцов Si: a — общий вид, b — в области фазовых хотя в целом кривые S(P) отражают происходящие в переходов. Стрелками и заштрихованными областями покакремнии одни и те же фазовые превращения в структуру заны структурные фазовые переходы, идентифицированные в белого олова, орторомбическую и простую гексагональ- работах [19-21].

ную при давлениях выше 8, 12 и 16 GPa [8,17–20].

Наибольшее различие наблюдается в области давлений вблизи первого фазового перехода. У образцов типа „A“, содержащих гидрогенизированный слой, величина термоэдс ниже, чем у образцов типа „B“. На полученПараметры исследованных образцов Si, имплантированных ные зависимости S(P) могут также оказывать влияние ионами водорода H+ флуктуации в распределении легирующих и фоновых примесей и ростовых дефектов. Понижение значений Образец Доза имплантации, cm-2 Отжиг термоэдс у образцов типа „A“, по-видимому, является результатом возникновения проводимости n-типа в слое Si–H1A 2 · гидрогенизированного кремния [5]. По этой же причине Si–H2A 1.6 · излом на зависимостях S(P) в области первого фазового Si–H3A 2 · 1017 500C, 30 min перехода у образцов „A“сдвигается в сторону меньших Si–H4A 3 · давлений (рис. 1).

Si–H1B Подложка Si–H1A При уменьшении давления на зависимостях S(P) Si–H2B Подложка Si–H2A (рис. 2, a) видны аномалии, связанные с известными Si–H3B Подложка Si–H3A 500C, 30 min по рентгеноструктурным данным фазовыми превращеSi–H4B Подложка Si–H4A ниями в структуры Si–XII (ниже 9 GPa) и Si–III (ниФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. 46 С.В. Овсянников, В.В. Щенников, И.В. Антонова, Вс.В. Щенников, С.Н. Шамин ствие того, что поверхностный слой имеет противоположный знак S по отношению к объемному материалу [5,10–12]. Ранее с этим связывалось снижение значений термоэдс для образцов типа „A“, содержащих имплантированные слои (рис. 1). Во-вторых, имплантация водорода в кремний приводит к формированию нанопористого и аморфного Si [5], что влияет на фазовые переходы. Так, уменьшение размеров кристаллитов в разупорядоченном слое приводит к увеличению давления фазового превращения в октаэдрическую металлическую структуру для наночастиц Si [1]. В пористом кремнии температура плавления так сильно снижается с ростом давления, что вместо структурного перехода III при P > 10 GPa происходит переход в аморфную фазу высокой плотности, а при снятии давления — в аморфную фазу низкой плотности [1]. Авторы [1] полагали эту фазу полупроводниковой, однако ни тип носителей заряда, ни их концентрация не оценивались.

В то же время данные, имеющиеся для различных групп кристаллов кремния, показывают, что после обработки давлением выше 16 GPa во всех случаях получается полуметаллическая фаза p-типа [17–21]. Полученные зависимости S(P) соответствуют эффективным свойствам системы, состоящей из слоев a-Si : H- и p-Si, по-разному реагирующих на внешнее давление [1]. Снижение при P 0 величины S после обработки давлением до 20 GPa (рис. 2) может быть связано с образованием аморфной фазы (с отрицательным значением S [1]), присутствующей между кристаллитами фазы Si–III [21].

Данные ультрамягкой рентгеновской спектроскопии не показали существенных различий между образцами до обработки давлением (рис. 3). Согласно расчетам [22], плотность состояний в валентной зоне имеет Рис. 2. Зависимости термоэдс S образцов Si при T = 293 K при уменьшении давления P (a) и втором цикле повышения давления (b). Стрелками показаны структурные фазовые переходы при уменьшении давления [19-21].

же 3 GPa) [17–21]. Последняя фаза стабильна при атмосферном давлении и, согласно данным Холла [20] и термоэдс ([8,17,18] и рис. 2), является полуметаллом p-типа. При повторном сжатии образцов зависимости S(P) выше 10 GPa имели примерно такой же вид, как и при первом цикле сжатия (рис. 2, b), что позволяет считать, что в образце идут такие же фазовые превращения, хотя исходная фаза Si–III имеет структуру, отличную от Si–I [19–21]. У металлических фаз высокого давления значения термоэдс примерно одинаковы для разных исходных образцов Si (рис. и [8,17,18]). В области малых давлений наблюдалось снижение величины S (рис. 2).

Рис. 3. Рентгеновские эмиссионные L2-3-спектры образца Влияние имплантированного водородом слоя на Si : H 2B: исходного (кривая 1) и после нескольких циклов зависимость S(P) определяется двумя факторами.

обработки давлением до 22 GPa (кривая 2). Штриховой линией Во-первых, величина термоэдс может измениться вслед- (кривая 3) показан спектр аморфного кремния a-Si.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Термоэлектрические свойства облученных ионами водорода кристаллов кремния при сверхвысоком... три максимума, которые приводят к трем пикам в эмис- [4] В.Р. Галахов, И.В. Антонова, С.Н. Шамин, В.И. Аксенова, В.И. Ободников, А.К. Гутаковский, В.П. Попов. ФТП 36, сионных спектрах Si L2,3 (рис. 3). При использованном 598 (2002).

ускоряющем напряжении 8 kV глубина зондирования [5] О.В. Наумова, И.В. Антонова, В.П. Попов, В.Ф. Стась.

составляет около 1 µm [4], поэтому поверхностный ФТП 37, 93 (2003).

нарушенный слой не заметен на спектрах, которые [6] И.М. Цидильковский, В.В. Щенников, Н.Г. Глузман. ФТП одинаковы для всех исходных образцов (рис. 3). После 16, 958 (1983).

обработки давлением 22 GPa спектр изменился — [7] С.В. Овсянников, В.В. Щенников. Письма в ЖЭТФ 80, уменьшился энергетический зазор между двумя пиками 41 (2004).

в области низких энергий и снизилась интенсивность [8] С.В. Овсянников, В.В. Щенников, А. Мисюк. Письма в третьего пика при 95 eV. Согласно данным [20,21], по- ЖЭТФ 80, 459 (2004).

[9] С.В. Овсянников, В.В. Щенников, Б.Н. Гощицкий. Письма сле обработки давлением ниже 18 GPa в образце наряду в ЖЭТФ 81, 203 (2005).

с фазой Si–III присутствует исходная фаза Si–I, а при [10] R. Meaudre, M. Meaudre, R. Butte, S. Vignoli. Thin Solid обработке более высоким давлением фаза I не сохраняFilm 366, 207 (2000).

ется. Между частицами кристаллических фаз возможно [11] R.G. Mathur, R.M. Mehra, P.C. Mathur. J. Appl. Phys. 83, наличие аморфного кремния [20,21]. Интересно отме5855 (1998).

тить, что после обработки давлением около 16 GPa [12] O. Yamashita. J. Appl. Phys. 95, 178 (2004).

рентгеновские спектры становились похожими на спектр [13] L.G. Khvostantsev, L.F. Vereshchagin, N.M. Uliyanitskaya.

High Temp.-High. Pres. 5, 261 (1973).

аморфного кремния [17,18], где из-за флуктуаций углов [14] D.A. Polvani, J.E. Meng, M. Hasegawa et al. Rev. Sci. Instrum.

и длин связей [22] пики сильно уширяются (рис. 3).

70, 3586 (1999).

Размытие пиков, особенно в области высоких энергий, [15] R.D. Barnard. Thermoelectricity in metals and alloys. Taylor позволяет предположить присутствие аморфной фазы и and Francis, London (1972).

после обработки давлением 22 GPa, однако спектр су[16] F.J. Blatt, P.A. Schroeder, C.L. Foiles, D. Greig. Thermoelectric щественно отличается от спектра аморфного Si (рис. 3).

power of metals. Plenum, N. Y.–London (1976).

Таким образом, после снятия давления образцы могут [17] V.V. Shchennikov, S.V. Gudina, A. Misiuk, S.N. Shamin.

Physica B 340-342, 1026 (2004).

быть гетерофазными. Поведение термоэдс материала с [18] V.V. Shchennikov, S.V. Gudina, A. Misiuk, S.N. Shamin, варьируемой конфигурацией и концентрацией фазовых S.V. Ovsyannikov. Europ. Phys. J.: Appl. Phys. 27, 145 (2004).

включений рассмотрено в работе [23]. Согласно этим [19] A. Mujica, A. Rubio, A. Munoz, R.J. Needs. Rev. Mod. Phys.

расчетам, независимо от конфигурации фазовых вклю75, 863 (2003).

чений в металлической области термоэлектрические [20] J.M. Besson, E.H. Mokhtari, J. Gonzales, G. Well. Phys. Rev.

свойства определяются наиболее проводящей фазой [23], Lett. 59, 473 (1987).

что подтверждает правильность оцененных значений S у [21] G. Weill, J.L. Mansot, G. Sagon, C. Carlone, J.M. Besson.

фаз высокого давления кремния и у метастабильных фаз. Semicond. Sci. Tech. 4, 280 (1989).

[22] В.В. Соболев, В.В. Немошкаленко. Методы вычислительЕсли же образуется еще и полупроводниковая аморфная ной физики в теории твердого тела. Киев, Наук. думфаза с n-типом проводимости [1], то эффективное значека (1988). С. 424.

ние S такой гетерофазной системы может действительно [23] V.V. Shchennikov, S.V. Ovsyannikov, G.V. Vorontsov, уменьшаться [23]. Как видно из полученных данных, V.V. Shchennikov, jr. Phys. Stat. Sol. (b) 241, 3203 (2004).

поведение термоэдс позволяет регистрировать изменения кристаллической структуры кремния. На примере имплантированных ионами водорода образцов Si продемонстрирована эффективность метода термоэлектрических измерений при высоком давлении для исследования измерений электронных и структурных свойств полупроводниковых материалов.

Авторы благодарны И.И. Морозову за имплантацию образцов водородом и В.Ф. Тиунову за помощь в приготовлении образцов ультразвуковым методом.

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.