Диссертация (Взаимодействие водорода с дислокационными сетками сращенных пластин кремния), страница 4

При этом на положение данного уровня не влияет ни тип частичных дислокаций, ниструктура их ядер, оно зависит только от величины расщепления. В предельном случаебесконечного расщепления, связанное с дефектом упаковки состояние локализовано вположении EV+0,075 эВ. При уменьшении расстояния между частичными дислокациямипроисходит перекрытие их деформационных полей и уровень смещается вверх от краявалентной зоны и при 23Å соответствует EV+0,21 эВ. Для характерных величин расщепленияв 60Å расчёты предсказывают энергию мелкого состояния вблизи EV+0,1 эВ.Кроме того, согласно теоретическим расчётамналичие сильной деформациикристаллической решётки в окрестности ядра дислокации может приводить к отщеплению откраёв ЗЗ узких 1D зон [14].

Распределение плотности состояний таких 1D дислокационныхзон изображено на Рис.3, где максимум распределения для электронов и дырок отвечаетположениям EC-EDe и EV+EDh соответственно. Согласно теоретическим расчётам [15] дляидеальных нерасщеплённых винтовых и 60°- дислокаций EDe=49 мэВ и 41 мэВ, а EDh=47 мэВи 37 мэВ, соответственно.Рис.3Энергетическаядиаграммараспределения плотности состояний накраях разрешённых и внутри ЗЗ [16] длякремниявприсутствиирегулярныхсегментов 60°- дислокации скользящегонабора. Также изображены характерныелокальные глубокие уровни, связанные сдефектамиинерегулярностямиокрестности ядра дислокации.в18Впервые экспериментальное подтверждение существования 1D-зон появилось приизмерениях ВЧ проводимости в пластически деформированном кремнии [17], а позднее былоподкреплено исследованиями электрон-дипольного спинового резонанса (ЭДСР) [18].Значения, определённые из обоих экспериментов, были очень близки EC–EDe≈EDh–EV≈≈0,07..0,08 эВ.Позже наличие мелких уровней, также было обнаружено и методами ёмкостнойспектроскопии (DLTS и MCTS) для пластически деформированного кремния последополнительных высокотемпературных отжигов [19] и для сращенных Si пластин (СП) [20].В первом случае энергия была определена как EV+0,07 эВ и EС–0,06 эВ, во второмварьировалась в зависимости от угла разориентации пластин EV+(0,05..0,09) эВ иEС–(0,06..0,08) эВ.Недавние результаты для СП [21; 22; 23] показали наличие «гигантского» эффектаПула-Френкеля, присущего мелким и некоторым глубоким дислокационным уровням.

Такимобразом, наблюдаемые в DLTS значения энергий оказываются заведомо заниженными, алинейнаяинтерполяциявобластьнулевогополядляэнергиидаётзначенияEC–EDe≈EDh–EV ~0,12 эВ.1.5.2 Глубокие уровни в дислокационном кремнииСами по себе ядра реконструированных частичных дислокации не связаны ни с какимииз глубоких энергетических уровней в ЗЗ [24; 25; 26]. Однако, огромное количествовозможных дефектов нарушающих периодичность и стехиометрию ядра, в том числепримеси, может стать причиной появления широко спектра электронных состояний. ДанныеГУ являются центрами активной рекомбинации носителей, что многократно былопродемонстрировано в ЭПР, DLTS и EBIC экспериментах [27; 28].Спектры DLTS для дислокационных структур, сформированных в результате различныхтехнологических процессов, содержат набор близких по своим параметрам уровней [29].Этот факт удивителен тем, что большинство из них приписываются не самим дислокациям, апримесным атомам и их кластерам в окрестности ядра (атмосфера Коттрелла), при том, чтопримесный состав может сильно варьироваться от образца к образцу.

Таким образом,положение примесных уровней в окрестности дислокации сильно отличаются от ихположения в объёме кристалла, и определяются более дислокацией, чем самой примесью, а19их положения не имеют определённых канонических значений и зависят от большогоколичества факторов.Основной объём экспериментальных результатов по DLTS был получен в первуюочередь для пластически деформированного кремния [30; 31; 32; 33], а позже дополненданными измерений на: дислокациях, появившихся в процессе роста кислородныхпреципитат (punch-out dislocation) [34; 35]; дислокационных сетках СП [20]; протяжённыхдефектах, сформированных при отжигах имплантированных образцов [29]; дислокацияхнесоответствия (misfit dislocation) [36].В верхней части ЗЗ выделяют несколько основных ГУ B (EC-0,24..0,29 эВ),C1(EC-0,37..0,52 эВ), С/C2(EC-0,33..0,51 эВ), D (EC-0,48..0,55 эВ), реже A (EC-0,16..0,19 эВ),DE4 (EC-0,58..0,63 эВ), интенсивность которых значительно уступает первой группе(обозначения согласно [31; 32]).

Линии A, B, D и DE4 относительно нестабильны и исчезаютпосле отжига при 800-900℃, при этом C1 и С/C2 остаются.Сравнениеэкспериментальныхрезультатовдляпластическидеформированныхобразцов, полученных при различных нагрузках [37], указывает на то, что C1 и С/C2 являютсяатрибутом примеси на ядре дислокации, при этом линия C1 присуща только образцам,подвергнутым двухстадийной деформации. Линия B относится к «примесному следу»дислокаций, который возникает в результате их быстрого движения. За D центр, согласноЭПР и DLTS [31], ответственны ненасыщенные связи в ядре дислокации.В нижней части ЗЗ наблюдается ряд ГУ, что соответствует восьми плохо разрешимыхпикам DLTS.

Доминирующей является линия F (EV+0,27..0,39 эВ), реже выделяют линии T2(EV+0,40..0,49 эВ), T3 (EV+0,35..0,45 эВ) и T4 (EV+0,36..0,40 эВ) (обозначение согласно [34]), инаименее интенсивные линии (EV+0,09..0,11 эВ), (EV+0,21..0,23 эВ), (EV+0,25..0,26 эВ),(EV+0,26 эВ), (EV+0,63..0,67 эВ), последние наблюдались в ряде работ [30; 31; 33], нопрактически не изучались.Центр ответственный за линию F является наиболее стабильным и сохраняется вспектре и после 800-900℃ отжигов. Концентрация центров, ответственных за данныйуровень, пропорциональна плотности дислокаций, по крайней мере, в диапазоне106-107 см-1 [38], и в тоже время, F линия присуща бездислокационным кристаллам скислородными преципитатами [34].

На основании чего предполагают, линия F является20проявлениемсегрегированнойпримесивполеупругихнапряженийдислокаций/преципитатов.Центры T2 и T4 ассоциируют с введёнными в процессе деформации точечнымидефектами/кластерами точечных дефектов, расположенными вне дислокации, то естьявляются аналогом центра, ответственного за ГУ B в верхней части ЗЗ. В случае линии DLTST3 различают две модификации T3a и T3B, которые связывают с межузельным Fe икомплексом Fe-O соответственно [34].212. Водород в кремнии2.1. Общие сведенияВодород – элемент за номером «1» в периодической таблице Менделеева, имеющийсамую простую структуру и минимальные для атома размеры. В ряде случаев, дляопределенияфундаментальныхсвойствводородаприразличныхвзаимодействияхиспользуют его изотопы 1H (протий),2H/D (дейтерий) и 3H/T (тритий).

Более того, прианализе поведения водорода, находящегося в различных зарядовых состояниях, частоиспользуютэкспериментальныеданные,полученныедляпротоновимюония(локализованный в кристаллической решётке мюон – сверхлёгкий аналог/псевдоизотопводорода).С одной стороны, минимальные размеры атома водорода способствуют его высокойподвижности, что проявляется в достаточно высокой диффузии уже при комнатнойтемпературе. С другой, высокая химическая активность, позволяет ему вступать в реакцию сбольшинством из элементов периодической таблицы.

Благодаря этому, водород с лёгкостьюпроникает в объём твёрдого тела, изменяя как химические, так и физические свойстваисходного материла.Первые систематические исследования влияния водорода на свойства твёрдых телбыли инициированы потребностями металлургической промышленности [39; 40; 41; 42; 43;44], в связи с чем ранние работы по водородной тематике ограничивались изучениемразличных металлов и сплавов. И только начиная с 60-х годов с развитием кремниевыхтехнологий в микроэлектронике, а позже и в солнечной энергетике, интерес к проблемеводорода в полупроводниках стал резко усиливаться.

Первыми шагами стало изучениехемосорбции водорода на поверхности кремния [45; 46; 47], затем водород стал активноиспользоваться для нейтрализации рекомбинационных центров аморфного [48; 49; 50] иполикристаллического кремния [51; 52; 53]. И лишь в начале 80-х перешли к активнымисследованиям влияния водорода на электрически активные центры в объёме и наповерхности монокристаллического Si [54; 55; 56; 57; 58; 59].2.2 ГидрогенизацияНе стоит также забывать, что водород один из самых распространённых элементовсодержащихся в земной коре (около 17%), в связи с чем его можно обнаружить повсеместно22в виде примеси. Однако, учитывая уровень современных технологий роста кристаллов и ихочистки, H примесью практически можно пренебречь.

При этом любая манипуляция приосуществлении различного рода технологических процессов, при обработке или прихранении, способна заметно изменить концентрацию H. Изменение концентрации, в своюочередь, может привести как к положительным, так и к отрицательным последствиям.Процесс, при котором происходит введение водорода в кристалл, называютгидрогенизацией или гидрированием. Гидрогенизацию разделяют на спонтанную ипреднамеренную.Спонтанная гидрогенизация связанна с неконтролируемым проникновением водородаво время различных манипуляций с кристаллом (механической или химической обработке), атакже при выдержке на атмосфере за счёт адсорбции и последующем распаде различныхгидридов, гидроксидов, молекул воды и прочего.

Как правило, вводимый таким образомводород сосредоточен в узкой приповерхностной области, его наличие редко приводит ксущественнымизменениямобъёмныхсвойствкристалла,номожетзатруднитьинтерпретацию экспериментальных результатов.Для преднамеренной гидрогенизации в настоящее время разработан целый ряд техник,которые позволяют контролировать концентрацию и профиль распределения введённоговодорода, а также вводить как водород, так и его изотопы в различных формах исоотношениях. Остановимся на некоторых из них отдельно и выделим их основныеособенности.Самым распространённым методом преднамеренной гидрогенизации является отжиг вводородной или водородосодержащей плазме [48; 51; 54; 55; 56; 60; 61; 62; 63; 64].Существует огромное количество разновидностей данной техники, начиная от разнойгеометрии относительного расположения образца и источника, заканчивая способомвозбуждения плазмы, каждая из них имеет свои особенности и недостатки, которыенеобходимо учитывать при анализе и интерпретации результатов.