Электронный парамагнитный резонанс собственных междоузельных и радиационных дефектных комплексов в монокристаллическом кремнии Тажибаев, Гайрат Орибжонович

Введение к работе

Актуальность темы. Физические свойства полупроводниковых материалов в значительной степени зависят от присутствия в кристаллической решетке тех или иных дефектов. Известно, что чрезвычайно малая концентрация дефектов, присутствующих в кристалле в виде нарушений периодичности решетки или атомов инородной примеси, способны оказывать критическое влияние на электрофизические, фотоэлектрические, оптические и другие свойства полупроводника.

В этом аспекте большой практический и научный интерес представляют исследования, посвященные изучению свойств полупроводников с дефектами, образованными ядерным излучением, а также процессы образования, накопления и отжига этих дефектов. При рассмотрении радиационных дефектов в кристаллической решетке нельзя ограничиваться лишь представлениями о простейших точечных дефектах, таких как одиночные вакансии или междоузлия - составных компонентов пар Френкеля. В кристаллической решетке возможны различные комбинации из собственных междоузлий и вакансій':, а учіпілиагі, чш мсждо^зельныс агомы могут быть примесными, ми получим широкий спектр разнообразных дефектов, проявляющих индивидуальные физические свойства. Как правило, множество дефектных центров обладают парамагнитными свойствами и хорошо поддаются изучению методом ЭПР. В настоящее время исследованы и идентифицированы микроструктуры более сотни дефектных центров в Si, краткую информацию о которых можно найти в специальной литературе. Анализ идентифицированных методом ЭПР дефектных центров в кремнии, показывает, что из имеющихся дефектных комплексов только пять центров Si-Рб, Si-B3, Si-A5, Si-G25 и Si-ЛА12 относятся к собственным междоузельиым типам дефектов. Этот факг необъяснимого преобладания дефектов вакансионного типа над междоузель-ными получил название "вакансионного" парадокса.

Хотя к моменту постановки задачи настоящей диссертационной работы, многие дефекты вакансионного типа в предварительно термообработан-ном кремнии, облученном нейтронами, протонами и а - частицами были довольно убедительно идентифицированы и существовали различные теоретические предпосылки о возможном влиянии предварительной термообработки и закалки кристаллов на формирование радиационных дефектов междоузель-ного типа, однако, надежные экспериментальные данные о таком влиянии отсутствовали.

Поэтому за последние годы изучение особенностей формирования поведения собственных междоузельных атомов в кремнии и их влияния на свойства материала превратилось в одно из важных направлений физики полупроводников. Особенно возрос научный интерес к этой проблеме после того, как было установлено влияние собственных междоузельных атомов на формирование термодоноров в кремнии. Новые эксперименты по исследова-

нию дефектных центров в кремнии методами ИК поглощения, исследование электрических свойств, как и теоретические расчеты, значительно продвинули вперед наши представления, однако, накопленные данные пока не позволяют создать единой картины о природе и поведении собственных междоузельных атомов в монокристаллах кремния и их необычайного влияния на свойства материала. В этом плане актуальными являются исследования, как структуры таких дефектов, так и процессов их образования, перестройки, взаимодействия при облучении и отжиге.

Целью настоящей работы являлось исследование особенностей формирования собственных междоузельных и радиационных дефектов в кремнии после термообработки с последующим облучением частицами высокой энергии и выяснение микроструктуры таких дефектных центров.

Для достижения этой цели предлагалось решение следующих задач с исползованием метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР);

1. Исследовать структуру радиационных дефектов междоузельного типа в предварительно термообработанных кристаллах кремния, перестройку этих дефектов при изохронном и изотермическом отжиге образцов.

2. Оптимизировав условия формирования парцмапшшої о цей гра Si-РК4 и изучить его сверхтонкую структуру (СТС).

л. Определить энергию активации высокотемпературной атомной рео-риентадии для данного и для других радиационных дефектов.

4. Предложить возможную модель собственного междоузельного дефектного центра Si-PK4. Научная новизна полученных результатов.

3. Идентифицирован ЭПР - центр Si-PK4 в предварительно термообра-ботанном и облученном протонами монокристаллическом кремнии. Определены константы сверхтонких взаимодействий, их симметрия, область температурной стабильности и условия наблюдения данного центра.

4. Показано, что примесь водорода играет стимулирующую роль в формировании дефекта Si-PK4 и кластеризации собственных междоузельных атомов кремния.

5. Обнаружено сильное сверхтонкое взаимодействие от изотопа кремния ²⁹Si с тетрагональной симметрией А- тензора. На основании анализа сверхтонкой структуры (СТС) показано, что в молекулярную структуру центра Si-PK4 вовлечены, два неэквивалентных и четыре эквивалентных атома кремния.

6. Определено, что 41% полновой функции (ВФ) парамагнитного электрона принадлежит одному атому кремния и 16% - четырем эквивалентным атомам кремния. ВФ парамагнитного электрона состоит из 30% 3S и 70% ЗР состояний.

5. Впервые методом одноосного сжатия были определены энергия активации и частотный фактор для атомной реориентации дефекта Si-PK4.

Константы атомной реориентации указывают на то, что дефект является "растянутым" подобно термодонорам или дислокациям.

Практическая ценность работы. Результаты исследований собственных междоузельных дефектов позволят целенаправленно изменять свойства монокристаллического кремния при термообработках, последующем облучении и ионной имплантации. Условия и особенности дефектообразования, термическая стабильность, данные об атомной структуре собственного междо-узельного дефекта могут быть использованы при теоретических расчетах, в экспериментах и в технологии полупроводникового производства. Кроме того, полученные экспериментальные данные важны так же для понимания природы термодоноров в кремнии. Положения, выносимые на защиту:

7. Результаты исследований условия формирования ЭПР центра Si-PK4 в мо-нокристалличском кремнии при облучении протонами, а-частицами.

8. Доказательства того, что дефект Si-PK4 представляет собой собственный междоузелъный комплекс, в структуру которого вовлечены шесть атомов кремния (1+1+4).

9. Экспериментальные данные гибридизации волновой функции междоузель-ного комплекса, которая включает 30% 3S и 70% ЗР,' состояний (по данным сверхтонкого взаимодействия от ядра ²⁹Si).

10. Экспериментальные результаты исследований поляризации междоузельно-го комплекса при одноосной деформации кристалла. Доказательство того, что дефект является пространственно протяженным.

, Апробация работы: Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих научных совещаниях, конференциях и семинарах: межотраслевое совещание «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь 21-26 июня 1993 г.); X конференцій по химии высокочистых веществ (Нижний Новгород 30 мая-1 июня 1995 г.); the third international conference.«Modern problems of nuclear physics» (Bukhara 23-27 August 1999); на ежегодной конференции молодых ученых ИЯФ АН РУз (в 1997 году отмечены специальной премией); семинарах ИЯФ АН РУз и ФТИ МН и ВО Республики Казахстан. Структура и содержание работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Основные результаты диссертации указаны в выводах к отдельным главам, наиболее существенные из них обобщены в заключении. Диссертация изложена на 100 стр., содержит 3 таблицы и 19 рисунков и список использованной литературы из 109 наименований.