WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 7 02;05;06 Низкотемпературная диффузия золота в германии под воздействием атомарного водорода © В.М. Матюшин Запорожский государственный технический университет, 330063 Запорожье, Украина (Поступило в Редакцию 3 апреля 1998 г.) Исследуется диффузия золота в германии под воздействием энергии, выделяющейся при рекомбинации атомов водорода в молекулы. Кристаллы германия n-типа с пленками золота (d = 1 · 10-7 m) подвергались воздействию атомарного водорода в течение различного времени (до 104 s) при температурах, близких к комнатной. Диффузия золота в германии исследовалась методом лазерной масс-спектрометрии, а также путем измерения поверхностного сопротивления, времени жизни неосновных носителей заряда и спектров пропускания в ИК области. Предложены механизмы стимулирования гетеродиффузии и сопутствующих процессов.

Введение целью удаления нарушенного слоя, а затем подвергались ультразвуковой очистке.

При проведении высокотемпературных процессов Пленки золота наносились методом термического исдиффузии в полупроводниковых кристаллах, необходипарения в вакууме. При нанесении пленок температура мых для введения электрически активных и рекомбиподложек составляла порядка 400 K, поэтому заметной национных примесей с рассчитанной концентрацией на диффузии золота в германии при этом не происходило.

заданную глубину, возникает большое количество неТолщина пленок контролировалась на рентгеновском гативных явлений, таких как перераспределение уже микроанализаторе МАР-2 и составляла 1-1.2 · 10-7 m.

введенной примеси, возникновение и рост паразитных Состояние поверхности образцов контролировалось изпленок, возникновение значительных механических намерением поверхностного сопротивления Rs четырехзонпряжений на гетерогранице и многие другие. Поэтому довым методом, а также с помощью микроскопа МИМ-7 возникает проблема оптимизации режимов проведения с 500-кратным увеличением.

гетеродиффузии в плане уменьшения температуры проАтомарный водород получался путем диссоциации цесса, не увеличивая при этом время его проведения.

молекул водорода в плазме, образуемой ВЧ разрядом.

Для резкого уменьшения общей температуры в техМолекулярный водород выделялся из раствора 20%-ного нологической системе целесообразно использовать лоКОН и дистиллированной воды путем электролиза. Дакальное стимулирование примесей в полупроводниках.

лее водород проходил через форбаллон для улавливаДля этой цели эффективным представляется ускорение ния капель КОН, осушительную колонку (заполненную гетеродиффузии под воздействием атомарного водорода.

гранулированной щелочью КОН) и поступал в рабочую При рекомбинации атомов водорода в молекулы выдекамеру. Концентрация атомарного водорода в рабочей ляется сравнительно большая энергия (4.5 eV на один камере измерялась калориметрическим методом [4], а акт рекомбинации) [1], которая в случае ее передачи также методом электродного парамагнитного резонанса поверхностному примесному атому может стимулиро(ЭПР) и достигала 5 · 1020 m-3 при давлении в системе вать гетеродиффузионные процессы в приповерхностных 15–20 Pa.

и объемных областях полупроводниковых кристаллов.

Образцы помещались на держатель из аллюминия, В работах [2,3] исследовалась низкотемпературная удаленный на расстояние 0.25 m от области разряда, что диффузия меди и никеля в германии под воздействипозволяло исключить попадание радикалов гидроксила ем атомарного водорода. Однако больший практический и ионов H+ на образец [4]. Температура образцов интерес представляет диффузия атомов золота, так как измерялась хромель-копелевой термопарой, закреплензолото является более эффективной рекомбинационной ной на их поверхности. Образцы нагревались только за примесью в германии.

счет выделяющейся при рекомбинации энергии, и их температура не превышала 330 K.

Распределение концентрации золота в германии исМетодика исследования следовалось методом лазерной масс-спектрометрии. ИсВ качестве материала подложки использовался моно- следования проводились на установке ЭМАЛ-2, предстакристаллический германий n-типа с = 1.5 · 103 · m, вляющей собой устройство с лазерным распылением и плотностью дислокаций 106 m-2, с ориентацией поверх- последующим разделением ионов вещества в электриности в направлении (111). Пластины травились в смеси ческом и магнитном полях и регистрацией ионов на (40% HF, 20% HNO3, 40%H2O с добавлением AgNO3) с ионо-чувствительном материале. Концентрация золота 74 В.М. Матюшин определялась по оптической плотности, соответствующей линии в спектре масс.

Изучение влияния атомов золота на время жизни неосновных носителей заряда проводилось методом модуляции точечным контактом [5]. Измерялись также спектры пропускания образцов в ИК диапазоне на спектрометре ИКС-21.

Результаты экспериментов и их обсуждение Под воздействием энергии, выделяющейся при адсорбции атомов водорода на поверхности золота (2–2.5 eV) и их последующей рекомбинации (1.5–2 eV), пленки Рис. 2. Изменение времени жизни неосновных носителей распылялись и утончались. Соответственно увеличивазаряда Ge с пленкой Au в зависимости от времени обработки лось Rs образцов, которое в случае полного удаления в атомарном водороде.

пленок становилось равным Rs исходного германия. Так как золото не имеет летучих соединений с водородом, механизм распыления представляется чисто физическим германия, на который напылялась пленка золота, а затем за счет передачи поверхностному атому энергии, достастравливалась в смеси HCl и HNO3 в соотношении точной для отрыва его от пленки и импульса, направлен3: 1 (царская водка). Как видно из этой кривой, при ного от поверхности кристалла в газовую фазу.

напылении пленок заметной диффузии золота в германий На стадии обработки в водороде, когда пленки не происходит. При обработке в атомарном водороде Au сплошные, золото в германии не обнаруживав течение 1800 s происходило значительное проникнолось. И только при достижении критической толщины вение атомов из пленки в объем германия (кривая (d 5 · 10-8 m), когда в пленке появлялись разрывы, нана рис. 1). На этой стадии воздействия наблюдалась чиналось внедрение атомов золота в приповерхностные максимальная концентрация золота в приповерхностных слои германия и их последующая диффузия в объеме.

слоях германия. При дальнейшей обработке слои герРаспределение концентрации золота в германии помания, легированные золотом, распылялись и конценсле обработки в атомарном водороде различное время трация золота в приповерхностных слоях уменьшалась.

показано на рис. 1. Кривая 1 получена от образца Однако при этом происходило увеличение концентрации золота в более глубоких слоях вследствие разгонки Au в объеме Ge (кривая 3 на рис. 1). Длительная обработка в H(t >104 s) приводила к полному распылению слоев Ge, легированных Au, и атомов золота в германии не обнаруживалось.

Изучение свойств кристаллов Ge, легированных Au, проводилось путем измерения времени жизни неосновных носителей заряда ( ). Как известно, введение золота в германий ускоряет рекомбинацию электронов и дырок и сокращает в случае, если атомы Au находятся в узлах решетки [6]. Измерение в зависимости от времени обработки в H показано на рис. 2. Как видно, на начальном этапе не изменяется, так как происходит только распыление пленки. При дальнейшей обработке наблюдается уменьшение вследствие загонки Au в Ge. Последующая обработка приводила к практически полному восстановлению до исходного значения.

Для исключения влияния на атомов водорода, адсорбированных на поверхности или продиффундировавших в объем, проводился отжиг контрольных образцов.

Рис. 1. Распределение концентрации Au в Ge после обработки Образцы прогревались при температуре 423 K в течение образцов в атомарном водороде различное время: 1 —необра7200 s. Значения при этом не менялись. Это подтверботанный образец Ge с пленкой Au; 2 — образец Ge с пленкой ждает факт, что изменение в образцах связано только Au, обработанный в H 1800 s; 3 — образец Ge с пленкой Au, обработанный в H 3600 s. с введением золота в германий под воздействием H.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Низкотемпературная диффузия золота в германии под воздействием атомарного водорода Образование дефектов и фононные процессы способствуют внедрению поверхностных атомов Au в приповерхностные слои. Оценка длины свободного пробега для продольных L и поперечных L фононов [7,8] показала, что L L и L 10-8 m, т. е. глубина активной зоны, где наиболее эффективно протекают фононные процессы, стимулированные H, соизмерима с глубиной максимума концентрации на средней стадии процесса водородной активации (кривая 2 на рис. 1).

Атомы золота, вышедшие из активной зоны, далее диффундируют в объеме Ge. Вычисление коэффициента диффузии производилось в приближении диффузии в полуограниченный кристалл с нулевой начальной концентрацией через поверхность, на которой поддерживается постоянная концентрация примеси. Этим условиям наиболее соответствует кривая 2 на рис. 1. Коэффициент диффузии, вычисленный из этой кривой, порядка 3 · 10-17 m2/s. Из сопоставления коэффициентов диффузии Au в Ge по междоузельному DM и вакансионному DV механизмам [9,10], равным при температуре экспериментов (T = 330 K) соответственно DM = 8.2 · 10-20 m2/s, DV = 1.4 · 10-40 m2/s, можно сделать вывод, что атомы Au в случае стимулирования под воздействием H диффундируют в объеме преимущественно по междоузельному механизму. В обычных условиях этот механизм реализуется только при высоких температурах Рис. 3. Спектры пропускания образцов Ge c пленкой Au:

1 — исходный образец Ge; 2 — образец Ge после снятия Au в (T > 1000 K), вследствие того что равновесие между царской водке; 3 — образец Ge с пленкой Au, обработанный в золотом в узлах AuS и междоузлиях AuI H 1800 s (остатки Au сняты в царской водке); 4 — образец Ge с пленкой Au.

AuI AuS +Q только при высоких температурах сдвигается влево. В случае воздействия атомарным водородом концентрация Изменение спектров пропускания показало значительAuI велика даже при T = 330 K за счет загонки золота ное поглощение в области длин волн 7.3-10 · 10-6 mот в междоузлия в активной зоне. Однако при низких образцов Ge с пленками Au, обработанными в атомарном температурах, близких к комнатной, AuI при встрече с водороде, тогда как исходный германий, а также образцы вакансией локализуется в узле решетки, что подтверждаGe, с которых пленка Au стравливалась в царской водке, ют измерения (рис. 2) и спектры пропускания (рис. 3).

в этой области ИК спектра прозрачны (рис. 3). Пику области поглощения соответствует энергия 0.2 eV, что совпадает с одним из энергетических уровней, создаВыводы ваемых атомом золота вблизи дна валентной зоны в случае, когда атом Au находится в узле кристаллической Таким образом, под воздействием атомарного водорорешетки Ge [6].

да эффективно стимулируется диффузия Au в Ge при Обоснованным представляется двухстадийный меха- температурах, близких к комнатной. Введение золота низм введения золота в германий под воздействием H, в германий состоит из загонки атомов Au в припокоторый состоит из загонки атомов Au в приповерхност- верхностные слои Ge на глубину порядка 10-8 m, где ные слои и дальнейшей диффузии в объеме Ge. Загонка протекают процессы дефектообразования и многофоатомов Au происходит непосредственно под воздействи- нонные механизмы рассеяния выделяющейся энергии, ем выделяющейся энергии. Время выделения энергии и дальнейшей диффузии Au в объеме кристаллов прехимического взаимодействия атомов водорода порядка имущественно по междоузельному механизму. Однако 10-10 s (время обменного взаимодействия), поэтому про- значительная часть атомов золота при взаимодействии цесс выделения и диссипация энергии укладывается в с вакансиями локализуется в узлах решетки Ge.

представление о -вспышке [6]. Поскольку температура Возможно эффективное использование низкотемперав области -вспышки достаточно велика — порядка турной гетеродиффузии под воздействием H в электемпературы плавления, то возрастает роль дефекто- тронной технологии для введения рекомбинационной образования и многофононных механизмов рассеяния. примеси в полупроводниковые кристаллы.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 76 В.М. Матюшин Список литературы [1] Лавренко В.А. Рекомбинация атомов водорода на поверхности твердых тел. Киев,: Наукова думка, 1973. 204 с.

[2] Matyushin V.M., Shapovalov V.P., Koshman A.R. // Int. I.

Hydrogen Energy. 1997. Vol. 22. N 2/3. P. 259–261.

[3] Матюшин В.М., Лищенко В.И., Горбань А.Н. // УФЖ.

1987. Т. 32. № 9. C. 1407–1411.

[4] Cоколов В.А., Горбань А.Н. Люминесценция и адсорбция.

М.: Наука, 1969. 187 с.

[5] Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1975.

206 с.

[6] Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1961. 462 с.

[7] Могилевский Б.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. М.: Наука, 1972. 536 с.

[8] Classbrenner C.I., Sluck G.A. // Phys. Rev. 1964. Vol. 134.

N 4. P. 1058–1069.

[9] Атомная диффузия в полупроводниках / Под ред. Д. Шоу.

М.: Мир, 1975. 686 с.

[10] Dunlap W.C. // Phys. Rev. 1955. Vol. 97. N 3. P. 614–618.




© 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.