Диссертация (1149284), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Согласно Рис.49б F уровень стабилен вплоть до температур 200ºС, а после отжигапри 500ºС его интенсивность уменьшается более чем в 2 раза. Наблюдаемое падение связано,скорее, с трансформацией центра, нежели с его нейтрализацией при водородной пассивации.Последнее следует из корреляции наблюдаемого падения интенсивности и одновременногороста интенсивности от мелких дислокационных уровней.Мелкие дислокационные уровни, в свою очередь, не подвержены пассивации [192], идаже имеют тенденцию к росту при увеличении температуры отжига за счёт взаимногоперераспределения (Sh1→ Sh2 для «малых» углов, Sh2→ Sh1 для «больших» углов) итрансформации ГУ F.
Отсутствие водородной нейтрализации центров ответственных за этидислокационные уровни, указывает на то, что они не связаны ни с сегрегированнойпримесью, ни с оборванными связями и перегибами на ядре дислокации, но может бытьобъяснено протяжённым характером волновых функций их электронных состояний,например, состояниями деформационного потенциала.10-4ln(см10Рис.50F0 (DE1/H.33/SD/F/T1)-710-10Своднаядиаграмма(Ea,lg(σ)),гдеотображеныпараметрыSh1(STh/HL)Sh2(T0/H.11/HL)F1(D3/T4)обнаруженныеГУвСПдиодах с различными10-13интерфейсами10-1610-1910-220.0изготовленныхF(DE2/D5/T2/HL)B(D1/H.21)иразличными способами.Цветныеточкисоответствуют0.10.20.30.4Ea, эВ0.50.60.7литературнымданным[31; 33; 34; 203; 204]120Выводы к главе 6Анализ спектров DLTS для СП показал, что вне зависимости от углов разориентации итемпературных обработок в спектре присутствует один чётко определённый набор DLTSпиков Sh1, Sh2, B, F0, F1, F (Рис.50).
Сопоставляя параметры обнаруженных намиэлектрически активных центров с данными из литературы, можно обнаружить хорошеесоответствие между ними, как это демонстрируется на приведённой диаграмме зависимостилогарифма эффективного сечения захвата lnσ от энергии активации термоэмиссии,полученных из данных плотов Аррениуса, которая была предложена для выделения данныхотдельных плохо разрешённых DLTS пиков [205].Из представленных данных по влиянию отжигов на величины различных пиков DLTS,следует, что пики F0, F1 подвержены водородной пассивации, и могут быть ассоциированылибо с примесью/СДТ в окрестности СП интерфейса, либо с оборванными связями на ядредислокации. Количество водорода участвующего в нейтрализации данных ГУ соответствуетколичеству водороды переходящего из слабосвязанного состояния в сильносвязанное.Величины пиков Sh1, Sh2, B и F не изменяется при отжигах до 200ºС, а пика B остаётсянеизменной и после 500ºС отжига.Интенсивности Sh1, Sh2 и F демонстрирует явную связь между собой, как присопоставлении СП с различными разориентациями, так и при высокотемпературных отжигах.Последнее позволяет связать их с различными конфигурациями дислокационных ядер на СПинтерфейса и областью напряжений в их окрестности, а изменение интенсивностей связать сперестройкой ядер в результате отжигов или внутренних напряжений.Отметим: ранее считалось, что F уровень наряду с другими ГУ подвержен водороднойпассивации [31], поскольку соответствующий пик исчезал после гидрогенизации из H –плазмы и нагрева, который сопровождает этот процесс.
Однако в таком эксперименте невозможно было разделить уменьшение интенсивностей DLTS пиков связанных спассивацией и температурными отжигами как таковыми. Кроме того, часть DLTS спектраниже 20-100 K температур, оставалась без внимания.121Обсуждение результатовДля начала обсудим возможные причины отсутствия зависимости количестваводорода, введённого из водного раствора от угла разориентации (плотности винтовыхдислокаций) и близость его значения со значением количества введённого водорода вбездислокационных образцах.При попадании протонов в образец они затягиваются электрическим полем, котороевозникает из-за разности потенциалов на интерфейсе электролит-полупроводник (п.
3.3), имигрируют вглубь образца. По мере продвижения в объём кристалла часть протоновпереходит в связанное состояние, что наиболее ярко проявляется, через компенсацию зарядаотрицательно заряженных акцепторов. Если положить, что данный процесс являетсяединственным, обеспечивающим связывание протонов, то при его протекании в какой-томомент мы бы имели полную нейтрализацию акцепторов и нулевое электрическое поле вузкой приповерхностной области.
Последующая миграция в данной области происходила бытолько благодаря диффузии, а сама она постепенно расширялась. При этом эффективностьгидрогенизации должна заметно упасть, но сам процесс протекал бы бесконечно. Согласноже нашим экспериментам процесс ЖТХ гидрогенизации сильно ограничен во времени(менее 1 минуты), то есть существует некий слабо зависящий от параметров образцовлимитирующий фактор, который приводит быстрому завершению процесса миграциипротонов.Этим фактором, вероятнее всего, является образование приповерхностного слоя20-40 нм с очень высокой концентрацией водорода [206; 207], который действует как барьердля дальнейшей миграции протонов в объём кристалла.
Качественное описание процессаобразования данного слоя приведено ниже.Протоны, вошедшие из электролита в p-Si, вступают в экзотермические реакциинейтрализации не только с акцепторами, но и сами с собой, при этом образуются молекулыводорода в тетраэдрических пустотах кремниевой решётки (Td - положение). Скоростьобразования молекул пропорциональна квадрату концентрации атомарного водорода и, какследствие, максимальна у поверхности. Поскольку эти молекулы малоподвижны инейтральны, то отсутствует их взаимное взаимодействие и происходит их накопление в тойузкой области вблизи поверхности, где они преимущественно и формируются.122Данный H2 слой не проявляет электрической активности, не приводит к изменениювеличины заряда и, как следствие, не может быть зарегистрирован в электрофизическихизмерениях.
Однако при измерениях спектров КР (Рис.34б) нами была зарегистрированахарактерная для молекулярного водорода в Td – положении линия 3600 см-1, что можетслужить подтверждением высказанного выше предположения.Образование слоя молекулярного водорода происходит в условиях переизбыткаконцентрации несвязанных протонов над концентрацией некомпенсированных акцепторов,что приводит к формированию узкого слоя положительного заряда, который компенсируетэлектрическое поле практически до нуля в узкой приповерхностной области и блокируетдальнейшую поставку водорода из раствора. Время, за которое накапливается достаточныйдля этого заряд и определяет общее количество водорода, проникшее в объём кристалла.Наличие интерфейса СП на глубине 170-200 нм, которая значительно больше толщиныуказанного приповерхностного слоя с очень высокой концентрацией водорода, очевидно, недолжно сказываться на процессах в последних.Итак, проникший в СП образец из раствора водород полностью локализован в тонкойверхней части, дальнейшее его движение в объём кристалла возможно только при наличиивнешнего затягивающего электрического поля и нагрева, при увеличении каждого изпараметров скорость миграции возрастает.Принимая во внимание результаты анализа ВФХ (1/C2(V)) и КР тонких ПЭМ фольг,можно заключить, что водород, находящийся в поле упругих напряжений в окрестностидислокаций, соответствует его нейтральной форме в ВС положении (H0BC*).
Таким образом,метастабильный в случае идеальной решётки H0, встраивается в ВС положениедеформированной в окрестности дислокации Si решётки. Анализ кинетик миграции водородачерез СП интерфейс и оценка энергий активации процесса экстракции водорода из областиупругих напряжений ДС указывает на широкой спектр энергий связи H0BC*. Кроме того,отжиги при отсутствии внешнего электрического поля демонстрируют стабильность даннойконфигурации не только при комнатной, но и при более высоких температурах (до 500℃).Последнее сопровождается ещё большим приближением водорода к ядру, что приводит кзаметному перераспределению значений энергий слабосвязанного H0BC* в сторону ихувеличения, с частичным переходом водорода непосредственно на ядро дислокации, чтохарактеризуется сильной связью (более 2,5 эВ).
Сильносвязанный водород можно отследить123в DLTS спектра по уменьшению интенсивностей электрически активных дислокационныхГУ в результате водородной пассивации.Ко всему прочему, эти результаты подкрепляются теоретическими расчётами [150],которые предсказывают как сильную связь водорода на различных ядрах дислокаций, так ипредпочтительность атомарной формы водорода (H0BC*) в полях упругих напряженийокрестности винтовой дислокации и тенденцию к росту энергии связи H0BC* приприближении к её ядру. Аппроксимация даёт следующую зависимость: E 2, 2(эВ/Å),dэнергия связи при этом варьируется в пределах около 0,3 эВ от среднего значения вследствиесдвигового характера деформаций решётки и связанной с этим зависимостью от длинмежкремниевых связей.Вариация длин связей, как в радиальном, так и тангенциальном направленияхотносительно ядра дислокации должно приводить как к значительной дисперсии энергийсвязи водорода с решёткой, так и к вариации частот колебаний их растяжения, что, в своюочередь, объясняет аномально большую ширину обнаруженного КР пика.
Следует отметить,что подобная ситуация хорошо известна для аморфного гидрогенизированного [197] иполикристаллического кремния [122; 123], в которых также наблюдается уширенная КРлиния 2000 см-1 колебательной моды атомарного водорода.Наблюдаемые небольшое смещение положения максимума в сторону меньших частоти некоторое уменьшение её ширины в результате отжигов, также могут быть объясненыналичием дисперсии распределения H0BC* по энергиям, и тенденцией его сосредоточения вобластях с большими растягивающими деформациями решётки – ближе к ядру дислокации,при термических обработках.Заключительный шагом обсуждения результатов, будет построение диаграммы ходапотенциала для миграции водорода в окрестности ядра дислокации, способного объяснитьполученные в настоящей работе экспериментальные результаты.Поскольку в окрестности винтовой дислокации при приближении к ядру энергиясвязи (EB) Н0 в BC-положении растёт как ~1/d, то можно ожидать соответствующееизменение потенциала для экстракции (Edisl=Em+EB) H и в окрестности интерфейса СП.
Еслиположить, что миграционные барьер в области упругих напряжений в окрестности ядравинтовой дислокации величина постоянная, то ход потенциала будет соответствовать124диаграмме Рис.51а. Однако в данном случае уже при комнатной температуре атомарныйводород, оказавшийся в окрестности дислокации, практически без сопротивления долженоказаться на её ядре. Последнее противоречит экспериментам, которые содержалипредварительные отжиги, а также не может объяснить необходимость термическойактивации процесса пассивации.Откуда следует, второй возможный вариант, который допускает рост миграционногобарьера, при приближении к ядру дислокации (Рис.51б).
Представленная диаграммапостроенаисходяизположения,чтоседловаяточка-величинапостоянная((Edisl)max=Em+EB=const). Таким образом, по мере приближения к ядру значительновозрастает потенциальный барьер (~1/d) , который необходимо преодолеть атому водорода,что хорошо согласуется с большей частью полученных экспериментальных результатов.Однако при такой величине барьера для миграции, трудно объяснить наблюдаемуюзависимость величины экстрагированного в объём водорода от значения внешнегоэлектрического поля, поскольку понижение барьера за счёт эффекта Шоттки здесьнезначительно ((Edisl)max>>ΔE).Поскольку оба варианта (Em=const и (Edisl)max=const) представляют собой предельныеслучаи, то третья диаграмма, представленная на Рис.51в является промежуточной.Миграционный барьер здесь растёт достаточно, чтобы не допустить миграцию водороданепосредственно к ядру уже при комнатной температуре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
