Диссертация (Взаимодействие водорода с дислокационными сетками сращенных пластин кремния), страница 2

121Заключение ................................................................................................................................................... 126Ссылки: ......................................................................................................................................................... 1285ВведениеМультикристаллический кремний является основным материалом в производствеэлементовсолнечныхбатарей.Эффективностьмультикристаллическогокремнияограничивается повышенной рекомбинацией носителей на дефектах структуры и, преждевсего, на дислокациях.

Рекомбинационная активность последних обусловлена глубокимиуровнями, привносимыми примесями переходных элементов, которые сегрегируют на ядрахдислокаций в процессе роста кристаллов. С другой стороны, дислокационные структурыимеют огромный потенциал и перспективу широкого применения в полупроводниковыхприборах нового поколения. В первую очередь, это касается создания кремниевыхсветоизлучающихэлементов,совместимыхссуществующимитехнологиямииобеспечивающих оптическую передачу данных за счёт дислокационной люминесценции, атакже разработки полевых транзисторов с каналом повышенной проводимости вдольдислокационных линий.

В связи с чем, возникает необходимости в технологиях,позволяющих «брать» от дислокации лучшее.Одним из промышленных приёмов, который уменьшает негативное действиедислокаций, является внедрение в материал водорода, который либо нейтрализуетрекомбинационно активные дефекты, либо образует менее активные комплексы. Процессвзаимодействия водорода с дислокациями, в свою очередь, можно разделить на несколькоэтапов: движение по регулярной решётке после внедрения в кристалл, затягивание в областьупругих напряжений дислокаций и, наконец, достижение области вблизи ядра дислокации,где водород вступает в реакции с интересующими электронными состояниями примесей исамой дислокации.В доступных нам работах, посвящённых изучению взаимодействия водорода сдислокациями, как правило, регистрировались изменения рекомбинационной активностипротяжённых дефектов или спектров ассоциированных с ними глубоких уровней, а такжепроизводилась оценка количества водорода при его экстракции.

При этом было установлено,что для протекания указанных выше реакций на последней стадии требуется термическаяактивация при температурах 300℃ и выше, а экстракция водорода происходит при ещё болеевысоких температурах.Детали же процесса начальной стадии взаимодействия с дислокациями приотносительно низких температурах, при которых водород уже имеет заметную подвижность6в решётке кремния, и способен попасть в область упругих напряжений дислокации, но ещёне взаимодействует с её ядром, остались вне поля зрения исследователей. Такая ситуацияобусловлена во многом невозможностью проследить пространственное перемещениеводородавблизиростовыхдислокацийилидислокаций,введённыхпластическойдеформацией, при использовании последних в качестве объекта исследований.Относительно недавно была разработана технология сращивания пластин кремния,которая позволяет получать регулярные дислокационные сетки, локализованные параллельноповерхности на столь малой глубине, что они попадают в область пространственного зарядаШоттки-диодов.

Помимо хорошо определённой дислокационной структуры интерфейссращенных пластин не содержит каких-либо заметных загрязнений переходными металлами,посколькуеёформированиепроисходитвсверхчистыхусловияхсовременногомикроэлектронного производства. Наличие подобных объектов позволяет перенестинекоторые приёмы, которые ранее с успехом применялись для исследований взаимодействияводорода с точечными дефектами, на дислокации, а в перспективе даёт возможностьразвивать новые подходы в экспериментальных исследованиях свойств дислокаций.Актуальность работыВопрос распространения и накопления водорода в твёрдых телах являетсяактуальным, начиная с середины 50-х годов прошлого века, и, прежде всего, это былопродиктовано интересами металлургии. Позже с развитием кремниевых технологий активноначалось исследование взаимодействия водорода с поверхностными и объёмнымидефектами.К настоящему времени установлено, что электрическая активность большинстваточечных дефектов нейтрализуются при взаимодействии с водородом.

Достоверноопределены основные конфигурации и параметры образованных комплексов. Аналогичнаяситуация и в случае взаимодействия водорода с ненасыщенными кремниевыми связями наповерхности.Однаковслучаедислокацийситуациянесколькоиная.Экспериментальноустановлено, что дислокации провоцируют аккумуляцию водорода в окрестности ядра;ассоциированные с дислокационными глубокими уровнями подвержены нейтрализации, чтоприводит к росту интенсивности дислокационной и зон-зонной люминесценции, определён7целый спектр характерных энергий (1,6-3,5 эВ) связи водорода на дислокациях.

При этом всеэкспериментальные данные получены в результате высокотемпературных обработок (свыше100℃) и следующих за ними измерений. Стоит отметить, что большинство этих работобъединяет одно, то, что в качестве объекта исследования, как правило, выступали образцысо сложной дислокационной структурой на основе пластически деформированного иполикристаллического кремния.Низкотемпературные же измерения (ниже 100℃), которые способны отобразитьпроцессы начала пассивации: миграцию водорода в кристаллической решётке кремния в полеупругих напряжении ядра дислокации и захват на них были безосновательно обделенывниманием. Восполнению именно этих пробелов и призвана настоящая работа.Цели и задачи работыЦелью настоящей работы является установление основных закономерностейвзаимодействия водорода с дислокациями в диапазоне температур 300-400 K, когда водородсохраняет свою подвижность, но не вступает в реакции с состояниями вблизи ядрадислокаций.Задачами исследования состояли в следующем:-методом вольт-фарадного профилирования в интервале температур 300-400 Kполучить данные об особенностях процесса взаимодействия водорода, введённого из водныхрастворов слабых кислот, в образцы с сетками дислокаций, созданных методом сращиванияпластин кремния-получить данные по аккумуляционной способности дислокаций в отношенииводорода-изучить кинетики процесса проникновения водорода через дислокационные сетки,оценить энергию связи водорода с дислокациями и определить его зарядовое состояние-поиск и применение методики, позволяющей повысить чувствительности методакомбинационного рассеяния света для регистрации колебательных мод водорода надислокациях-изучить влияние высокотемпературных отжигов на локальные дислокационныеуровни в запрещённой зоне и положение водорода в решётке кремния.8Научная новизна1.

Обнаружено, что дислокационные сетки на интерфейсах сращенных пластин кремнияявляются эффективным препятствием для диффузии водорода в объем кристалла.Впервые показано, что миграция водорода через дислокационную сетку возможна толькопри наличии внешнего электрического поля.2. Впервые проведены оценки энергии связи водорода с дислокациями при низкихтемпературахиобнаружено наличие слабосвязанного водорода в окрестностидислокаций, характеризующегося энергией активации процесса его экстракции менее1 эВ, что во много раз меньше сообщённых ранее величин, полученных в экспериментахпри высоких температурах.3. Предложена новая методика измерения слабых сигналов комбинационного рассеянияот захороненных в объёме материала слоёв, основанная на использовании оптическогоинтерференционного усиления в комбинации с применением методов просвечивающейоптической и электронной микроскопий.4. Впервые показано, что водород вблизи дислокаций является нейтральным истабилизируется в моноатомной форме в центре кремниевых связей кристалла.5.Впервыеустановленоотсутствиевлиянияводороданамелкиедырочныедислокационные уровни.Научная и практическая ценностьНаучная и практическая значимость результатов проведённых исследований состоит вследующем:1.Была предложена оригинальная методика измерений слабых сигналовкомбинационного рассеяния, которая может быть использована для исследований свойствтонких захороненных слоёв в самых различных материалах.2.Было получено экспериментальное подтверждение существования нейтральногомоноатомного водорода в центре Si-Si связи кристаллической решётки кремния в поляхупругих деформаций дислокаций, что полностью подтверждает высказанные ранеетеоретические положения.3.В результаты исследований были получены данные о характере и параметрахнизкотемпературного (300-400 K) взаимодействия водорода с дислокациями, которыерасширяют общие фундаментальные представления о свойствах протяжённых дефектов в9полупроводниках и могут быть использованы для моделирования технологическихпроцессов при создании элементов и приборов на основе кремния.Положения, выносимые на защиту1.

Дислокационная сетка, образованная сращенными пластинами кремния являетсяэффективным препятствием для диффузии водорода при низких температурах (до 400 K).Миграция водорода через интерфейс сращенных пластин может быть стимулированаприложением внешнего затягивающего электрического поля.2. Окрестность интерфейса сращенных пластин кремния характеризуется повышеннымкоэффициентом сегрегации (K≈20-100) водорода. Водород в этой области находится внейтральном состоянии и локализован в центре связей между атомами кремния (H0BC). H0BC вобласти упругих напряжений дислокационной сетки относительно стабилен и даннаяконфигурация частично сохраняется вплоть до температур 500℃.3.

Новая методика измерения слабых сигналов комбинационного рассеяния от захороненныхв объёме материала слоёв, основанная на использовании оптического интерференционногоусиления в комбинации с применением методов просвечивающих оптической и электронноймикроскопий позволяет обнаружить колебательную моду моноатомного водорода надислокационных сетках в кремнии.4. Энергия активации процесса экстракции слабосвязанного водорода с дислокационныхсеток имеет широкий набор значений от 0,9 до 1,7 эВ, что объясняется его расположением вполях упругих напряжений дислокаций и разной удалённостью от их ядер. На основанииэкспериментальных данных предложена энергетическая диаграмма, объясняющая процессмиграции водорода в окрестности винтовой дислокации.Личный вклад автораИзготовление и исследование Шоттки диодов методами ёмкостной спектроскопии,составление и выполнение всей программы экспериментальной части работы проводилосьлибо автором, либо студентами под его руководством.

Изготовление фольг дляпросвечивающей электронной микроскопии, исследования методами просвечивающейэлектронной микроскопии и анализ структуры дислокационной сетки сращенных пластинкремния, проводилось автором на базе МРЦ «Нанотехнологии». Измерения спектровкомбинационного рассеяния проводилось на базе РЦ «Оптические и лазерные методы10исследования вещества» Борисовым Е.В и РЦ «Центр диагностики функциональныхматериалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники» Ревегуком З.В.

Исходныесращенные пластины кремния предоставлены компанией Soitec.Предложенные подходы к изучению взаимодействия водорода с интерфейсомсращенных пластин, модели и выводы – результат обсуждения результатов автора с научнымруководителем профессором Вывенко О.Ф.Достоверность полученных результатовДостоверность экспериментальных результатов подтверждает их воспроизводимостьдля большого числа образцов, совпадением экспериментальных данных для контрольныхобразцов с литературными данными, хорошим качественным согласием экспериментальныхрезультатов для структур с дислокационной сеткой с теоретическими предсказаниями ичисленным моделированием, а также внутренней согласованностью результатов, полученныхразличными использованными в работе экспериментальными методами.Апробация работыМатериалы настоящей диссертационной работы докладывались и обсуждались наследующих конференциях:1.