Электронный парамагнитный резонанс собственных междоузельных и радиационных дефектных комплексов в монокристаллическом кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

ргк од

2 4 уп я'2303

На правах рукописи

•й

ТАЖИБАЕВ ГАЙРДТ ОРИБЖОНОВИЧ

УДК 621.315.592

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС СОБСТВЕННЫХ МЕЖДОУЗЕЛЬНЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТНЫХ КОМПЛЕКСОВ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ

(01.04.07 - физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ-2000

Работа выполнена в Институте Ядерной Физики Академии Наук Республики Узбекистан.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, МАХКАМОВ Ш.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор НУРИТДИНОВ И. доктор физико-математических наук, профессор ЛЕЙДЕРМАН А.Ю.

Ведущая организация:

Институт Ядерной Физики Национального Ядерного Центра Республики Казахстан

Защита состоится «<5<2.» ¿Улг/Лу 2000 г. в /С-^- часов на заседании специализированного совета ДО 15.15.01 по присуждению ученой степени доктора физико-математических наук в Институте ядерной физики АН РУз по адресу: 702132, г.Ташкент, пос. Улугбек, ИЯФ АН РУз тел.: (3712) 60-6118; Факс (3712) 44-26-03

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерной физики АН РУз.

Автореферат разослан « 19 »_ _ ¿¿¿1.9_2000 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, . ^ доктор физико-математических наук __; ХАКИМОВ З.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 вакансий, а унпыши!, чш мс;лдо}зелы!ые 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 81, 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 Б^Рб, Б^ВЗ, 5ьА5, Бь025 и Бь ЛЛ12 относятся к собственным междоузельным типам дефектов. Этот факт 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-

шло дефектных центров в кремнии методами ИК поглощения, исследование электрических свойств, как и теоретические расчеты, значительно продвинули вперед наши представления, однако, накопленные данные пока Fie позволяют создать единой картины о природе и поведении собственных междо-узельных 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. Оптимшароваiь условия формирования шрамапшшого цеигра Si-РК4 и изучить его сверхтонкую структуру (СТС).

Î. Определить энергию активации высокотемпературной атомной рео-риентации для данного и для других радиационных дефектов.

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

1. 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.

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

3. 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.

4. Определено, что 41% полнопой 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:

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

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

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

4. 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 конференция по химии высокочистых веществ (Нижний Новгород 30 мая-1 июня 1995 г.); the third international conference.«Modera 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении» приводится общая характеристика работы, излагается сущность решаемых проблем, их актуальность, цель работы, новизна, практическая ценность и основные защищаемые положения.

В первой главе приведен обзор опубликованных работ по формированию, трасформации и отжигу собственных междоузельных и радиационных дефектов в кремнии. Описаны некоторые энергетические, уровни, ответственные за парамагнитные дефектные центры в монокристаллическом кремнии. Приведены существующие модели собственных димеждоузельных и некоторых примесно-комплексных междоузельных дефектных центров в монокри-сталическом кремнии.

Вторая глава диссертации посвящена описанию методик эксперемента, систематизированы и дополнены расчеты угловых зависимостей g-и А- тензоров дефектных центров в монокристаллическом кремнии. По методу ЭПР приведен способ расчета концентрации сложных парамагнитных центров в монокристаллическом кремнии.

Для рассчета g-и А тензора спектров ЭПР в монокристаллическом кремнии использован спиновый гамильтониан:

Н=Н,+Н2+Нз=яРН8+А15+508 (1) где g, А, Б-симметричные тензоры второго ранга. I, Б-операторы спина соответственно ядра и электрона. Гамельтониан Н описывает набор спиновых взаимодействий парамагнитного центра в кристалле. Член Н) описывает Зеемановское расщепление линий в магнитном поле. Взаимодействие спинового момента электрона со спиновыми магнитными моментами ядер приводит к сверхтонкому расщеплению линий ЭПР и описывается членом Н2 гамильтониана. Для ядра со спином э=1/2 показано что, магнитный момент этого ядра создает в области локализации дополнительное магнитное поле, и, как и в случае электрона, расщепляется на две линии, отвечающие двум направлениям этого дополнительного поля. Такое взаимодействие называется сверхтонким взаимодействием (СТВ) и описывается А-тензором. Если в центр входит еще одно ядро с ненулевым магнитным моментом, то дублет линий, полученный в результате первого расщепления, еще раз испытывает расщепление. Исследуя число линий спектра, анизотропию сверхтонкой структуры (СТС) центра, можно идентифицировать ядра с ненулевым и нулевым спином, определить их положение относительно орбитали парамагнитного электрона. Если в парамагнитный центр (ПЦ) входит более чем один не-спаренный электрон, т.е. суммарный спин электронов центра >(1/2), то электроны могут взаимодействовать между собой как магнитные диполи. Такой вид взаимодействия описывается в (1) членом Нз, и в нем тензором тонкого расщепления-Б. Этот вид взаимодействия аналогичен дипольному СТВ, однако значительно сильнее из-за того, что магнитный момент электрона гораз-чг> больше магнитного мом'чн'т ттл

• Дефекты в кремнии могут быть образованы в равной вероятностьи в любой из 48 эквивалентных ориентации, образованных точечной группой Оь решетки кремния. Однако число линий спектра ЭПР для одиночного перехода при произвольной ориентации кристалла относительно внешнего магнитного поля Н сводится к 24 за счет инвариантности энергии перехода относи-

тельно инверсии координат. В случае, если Н лежит в одной из главных кристаллографических плоскостей, число линий уменьшится за счет их совмещения, если Н ||(110), то максимальное число линий будет равно 12. Путем вращения кристалла в этой плоскости в пределах 90° можно последовательно сопместить три гляпных кристпплпгрпфических наппнгсления Г1001, Г-11Т1 [110] с направлением магнитного поля, g-"leмзop таких дефектов содержит о линейно-независимых компонент: (я)2хх, (5)2>у. (ё)2**, (ё)2гу, (ё)2тг- Все

линии угловой зависимости будут иметь одинаковую интенсивность и могут быть описаны следующими выражениями:

Е2эфф.=я2.«(соз2е)+[(82у>.+я2и)/2 ± л/г вшесове (^ ± ¿^г

Лфф =?„.(соз2е)+[(е2хх+ё2п)/2±§2х2]51п20± ¿ПОСОБО^!^)^ ?эфф.=?п(соз2е)+[(§2хх+е2уу)/2+ё;!Х7]51п2е±72 51песо5е(^а±82гу)/2 где 6-угол между Н и направлением [100], а Н лежит в плоскости (100).

Любая другая дополнительная симметрия может только упростить спектр ЭПР. Так подавляющее большинство известных ПЦ в кремнии имеет гамильтонианы, в которых по крайней мере, одна из главных осей g-тeнзopa совпадет с главным кристаллографическим направлением.

При измерении методом ЭПР концентрации спинов задача решается путем сравнения исследуемого образца с известным эталоном. В работе в качестве эталона были использованы образцы дифинилпикрилгидразила (ДФПГ), который выпускаются промышленностью. В твердом состоянии ДФПГ служит эталоном при определении g-фaктopa ^дфпг=2.0036+0.0002). СТС спектр раствора ДФПГ в бензоле служит иногда для калибровки развертки спектрометра и подбирается в зависимости от концентрации раствора, ДФПГ практически не насыщается. Узкий снлглет лопешгевой формы от 1ьердою ДФПГ обусловлен обменным взаимодействием. Квинтет,с линиями лоренцевой формы, получаемый от разбавленных растворов, обусловлен броуновским движением или вращением .молекул. Если бы в твердом ДФПГ можно было устранить обменное взаимодействие, то был бы зарегистрирован дипольно'-уширенный сигнал гауссовой формы. В зависимости от вида растворителя кристаллизованного твердого ДФПГ можно варьировать ширину линий от 0,15+0,47 тТ. Наряду со своими многочисленными преимуществами ДФПГ имеет некоторые недостатки, поэтому рассмотрены возможности использования других калибровочных образцов, в качестве вторичного эталона, например, монокристалл рубина (0,5% Сг2+ АЬОз). Этот эталон очень удобен при работе с монокристаллическими образцами, так как сигнал ЭПР от монокристалла рубина сильно зависит от ориентации кристалла по отношению к магнитному полю. Такой кристалл можно "намертво" закрепить где-либо у стенки резонатора, сориентировав его так, чтобы он давал сигнал, соответствующий g-фaктopy, отличного от g-фaктopa исследуемого образца.

Если мы будем предполагать, что малая мощность СВЧ не вызывает насыщения, линии поглощения пропорциональны числу спинов, а моменты

интерпретируются теорией Ван-Флека, а также амплитуда модуляции много меньше ширины линии, то после таких специальных ограничении мы можем провести некоторые расчеты для определения количества спинов ПЦ из выражения: п=Н/Ух= Уй /т1-(Му/\/х)-(г|х/г|,)(Ах/Аэ)'(АНх/АНэ)2-к где V* и V, - объемы исследуемого и эталонного образцов, т|х /ту, - относительный фактор заполнения резонатора, а к-умножающий факгор, который в зависимости от интенсивности выбранной линии для данной симметрии центра может принимать значения от 1 до 12.

В третей главе проведены результаты исследования особенности формирования собственных междоузельных дефектных комплексов в термора-диационно обработанном кремнии, условия измерения спектров ЭПР собственных дефектных центров, методы расчёта СТВ и представлены экспериментальные исследования влияния предварительной высокотемпературной обработки на формирование собственного междоузельного дефекта в кремнии, подвергнутого облучению высокоэнергитичными частицами и идентификация их методом ЭПР.

В исследованиях использовался ЭПР-спектрометр (^-диапазона, температура образца при измерениях была 77 и 300К. Образцы кремния зонной очистки с р=10-г120 р.-ст после предварительной термообработки при температуре 880-Я180К облучались протонами или а-частицами при комнатной температуре с энергиями частиц 30 и 50-60 МэВ соответственно. Плотность потока в пучке при облучении составляла -0.3-0.5 рА/ст2. Измерения спектра ЭПР предварительно термообработанного и последующее облученного флю-енсами протонов ~1015сш"2 кремния позволило обнаружать регулярное появление. сигнала ЭПР спектра, присущего центру РК4 (б литературе обнаруженный спектр ЭПР был приписан центру РК4 со спином 8=1/2 и симетрией Сг и отнесен к комплексу углерода). Экспериментально установлено, что центр РК4 формируется только после отжига облученных образцов кремния при ~500К и проявляет стабильность до температур 780К.

Показано; что путем варьирования режима термообработки и флюенса облучения можно оптимизировать интенсивность сигналов и выделить в спектре СТС от изотопа 29Бь Установлена идентичность условий формирования центра РК4 в образцах, облученных протонами или а-часгацами и отсутствие центра в образцах кремния, выращенного методом Чохральского, независимо от условий предварительной термообработки и типа легирующей примеси. Спектр РК4 с компонентами СТС при ЗООК приведен на рис.1. В спектре наблюдаются интенсивная центральная группа линий и слабые сате-литы, обусловленные *СТВ от природное содержание которого составляет 4.7%.

При расчетах данного дефектного центра спиновый гамильтониан описан выражением: Я=црЩ8+£ IjAjSj (2)

/

где jip-магнетон Бора, S, I-спин электрона и ядра данного атома, соответственно, Н-внешнее магнитное поле, g и А-симметричные тензоры второго ранга. В (2) первый член описывает положение центральных линии, которые зависят от ориентации магнитного поля, а второй член отражает СТ взаимодействие я пег» с парамагнитным члектроиом

lia основе экспериментально полученных спектров иыли определены величины компонент g- тензора в системе кубических осей с последующей диагонализацией g-тензора. Из угловой зависимости СТС определены значения А-тензора, которые приводятся в таблице 1.

Из анализа СТС от изотопа 29Si установлено существование трех групп линий, отношение интенсивностей которых к амплитуде центральной группы линий равно 2.4% и 10%, что свидетельствует о принадлежности этих сатели-тов одному и четырем атомам кремния соответственно.

Параметры g- и А- тензоров центра Si-PK4 при Т=300К. Табл. 1.

g-тепзор (+0.0002) А-тензор (±0.5MHz) «iJ Р/ л/ ZV

gi=2.0017 29Si A|| A±

g2=2.0032 О) 555.7 471.2. 0.30 0.70 0.41 0.41

g3=1.9957 (1) 82.7 70.0' 0.31 0.69 0.06 0.06

6=31.2° (4) 53.1 44.9 0.32 0.68 0.04 0.16

Причем существуют два атома кремния в узловых положениях, вызывающих СТС от одного и того же атома (29Б1-сильное и слабое расщепление). Здесь важно отметить, что тензор сильного сверхтонкого взаимодействия (СТВ) от 2931, которому принадлежит основная часть волновой функции (ВФ) парамагнитного центра, имеет строго тетрагональную симметрию А- тензора, т.е. А-тензор аксиально-симметричен относительно оси <001>.

Проведен анализ А-тензоров СТВ в рамках одноэлектронной ВФ не-спаренного электрона, которая представляется в виде линейной комбинации ЗзЗр-атомных орбиталий, локализованных на атомных узлах, входящих в структуру дефекта исходя из зависимости

Ф(г)=£ «7, (*, А'.+/»,&) (3)

Здесь т^2 педставляет вклад в СТВ .¡-того узла и нормируется как а2+(32=1, а/ и |3/ отражают относительные веса 5- и ^-составляющих этой орбитали, а главные значения аксиально-симметричного А-тензора задаются следующим образом;

А|,(]) = щ +26;, А1О) = Щ+Ь^,

с изотропным вкладом СТВ; аы=(1б/3)П(цД)дв^2^21

и с анизотропным вкладом СТВ; (bst)id=(4/5)(jij/Ij)^BPj24j2(r"33p)j-

Здесь pj и цв - элеклроншлй и ядерный магнитные моменты соответственно, Ij- эффективный спин ядра, r-радиус-вектор электрона относительн- но ядра. Используя значения <r3p3>= 16.1 • 1024сш"3 и |Vjs(0)|2=3 1.5 1 024сш"3 для кремния, из выражения (3) определено, что 41% ВФ парамагнитного электрона принадлежит одному атому кремния и только 16% четырем эквивалентным атомам кремния, ччо характерно для дефекчов междоузельною чипа. ВФ парамагнитного электрона состоит из 30% 3s- и 70% Зр-состояний, демонстрируя большой вклад s-состояния, что не свойственно для дефектов вакансионной природы.

Используя метод, предложенный Ли и Корбетом и учитывая наличие сдвига g-тензора от go, установлено, что центр РК4 соответствует дефекту в положительном зарядовом состоянии, с шириной линии центра РК4 при 77 и 300К равный 0.15 тТ. Величины, как и направления, главных значений А- и g-тензоров меняются очень слабо в указанном диапазоне температур, а симметрия дефекта сохраняется. Отсутствие в дефекте SÍ-PK4 СТВ с осью симметрии, близкой к <111>, позволяет надежно исключить вакансионную природу этого дефекта, а его высокая температурная стабильность (-780К) свидетельствует о том, что этот дефект соответствует комплексу междоузельных атомов кремния. • •

На основе анализа полученных экспериментальных данных спектра ЭПР и измерений параметров g- и А- тензоров и угловой зависимости СТС терморадиационно обработанных образцов кремния предложена микроструктура исследуемого центра РК4, представляющая собой пару <001>-расщепленных собственных междоузельных атомов кремния. В четвертой главе рассмотрена микроскопическая структура собственного междоузслыюго дефектного комплекса в монокристашшческом кремнии, описана теория определения В- тензора и проведены экспериментальное исследования по определению скорости атомной переориентации методом одноосного сжатия. Предложена возможная модель собственного междоузель-ного дефектного комплекса в кремнии.

Изменение энергии анизотропного дефекта при одноосном сжатии в кубическом кристалле дается следующим выражением:

№¡=B-S-a (,■= 1....12),

где S- представляет тензор упругости кубической решетки кремния, В- пье-зоспектроскопический тензор и является характеристикой дефекта, а а-внешнее давление, которое различается для различных эквивалентных ориентации дефекта в кристаллической решетке. Внешнее сжатие кристалла понижает ориентационное вырождение дефекта, при этом термическое равновесие заселенности (N¡) i-ой ориентации становится пропорциональным Больцма-новскому фактору [n10/nls~exp(-AE¡/kT)] и появляющееся различие в заселенности эквивалентных дефектов будет проявляться в спектре ЭПР. Обычно со-

отношение интенсивностей линий ЭПР- центра Сг симметрии для Н || (ПО) при нормальной заселенности соответствует А:В:С:Б = 1:2:2:1 (рис.За.). После поляризации при одноосном сжатии образца это соотношение интенсивностей линий изменяется (рис.36): А:В:С:Э = а:2Ь:2с1:с, где а, Ь, (1, с - вероятности заселенностей различных эквивалентных ориентации легЬекта при деформации кристалла. При одноосном сжатии кристалла пезоспеетроскопиче-ский тензор В для дефекта РК4 имеет вид:

-2кТ\па/4ы -ТкТЬла/с

(4Ь)

Вл =

-кТ\пЫ с1

(4с)

Используя экспериментальные значения заселенностей спектра РК4, полученные для Р = 250 МР^ст2, после выдержки образца под нагрузкой в течение 90 минут при Т = 673К (400 °С) с последующим быстрым (~ 3 мин. до ~ 573К) охлаждением под нагрузкой -для данного дефекта экспериментально определены величины: а =1.44, Ь =0.79, (1 =0.99, с =0.99 и значения модуля упругости Бц для кремния: Бц = 7.68-10'<М1^, Би = -2.14-10^ MPg, = 12.56-Ю"6 MPg из уравнений (4) имеем: В, - В3 = +23 еУ; В! - В2 = +17.2 еУ; В4 = +2.1 еУ. При условии ТгВ - 0, пьезоспектроскопический тензор имеет вид:

'13.4 0 2Р

3= 0 -3.8 0 еУ

а1 0 — 9.6;

Большое отрицательное значение компоненты тензора Вз (-9.6 еУ) означает, что формированный центр создает значительное деформационное поле вдоль оси дефекта С2, параллельной [110] (т. е. вдоль оси С2 ||[Ю0]), т.е. по этой оси существует более плотная упаковка атомов по сравнению с нормальной решеткой кремния. Поэтому, при одноосной поляризации дефект стремится развернуться осью §1 перпендикулярно направлению сжатия. То есть предпочтительным состоянием для дефекта является ориентация, когда только ось §3 параллельна направлению сжатия. Результаты анализа спектров ЭПР при одноосном сжатии и анализа g- и А-тензоров позволяют предположить следующую модель собственного междоузельного дефектного комплекса Б^РКЛ, состоящего из б собственных атомов кремния, расположенных в междоузельном состоянии. В образовании комплекса 51-РК4 промежуточную стимулирующую роль играют атомы водорода (рис.4).

В случае дефектного центра 5ьР1 с Сц, симметрией (птопосНшс-1), пьезо-скопический тензор В имеет вид:

в, 0 0

В = 0 В2 В<

0 в, в,

При аксиальном ^ 1 Ю;-елаши уровень До расщепляется на четыре отчетливых подуровня. Результаты измерений центра Б1-Р1 и Б1-РК4 при одноосном сжатии приведены в таблице 2.

Таблица 2._

т, с 4-102 8-Ю2 1.9-103 6-103 3.8-104 6-104

51-РК4 1/Т-10"3, К"1 1.53 1.555 1.558 1.615 1.655 1.685

т, к 654 643 635 619 604 593

В=13.4 еУ В2 = -3.8 еУ В3 =-9.6 еУ

БьР1 1/Т-10'3, К'1 1.912 2.01 2.03 2.05 2.114 2.16 463

Т,К 526.3 500 493 488 473

Основные выводы:

1. Проведен подробный обзор экспериментальных и теоретических данных по образованию, трансформации и отжигу собственных дефектных комплексов в кремнии формирующихся при воздействии радиации, температуры или сопряженном воздействии обоих полей. Анализированы возможности методов исследования собственных междоузельных дефектов и показаны приму-щества метода ЭПР. Предложены и дополнены недостающие математические выражения для расчета угловой зависимости спектров ЭПР. Сформирована постановка задач данной работы.

2. Впервые при облучении протонами с энергией 30 МэВ в области доз >1015 р-см2 был обнаружен ЭПР центр БьРК4 в монокристаллическом кремнии. Определены экспериментальные условия наблюдения, диапазон температурной стабильности, параметры спиновых гамильтонианов и симметрия этого центра. Установлено, что обнаруженный центр проявляет термическую стабильность до температур 780 К.

3. Определены условия оптимизации интенсивности сигнала ЭПР центра Бь РК4. Показано, что важную роль в формировании центра при облучении играет предварительная термообработка образцов кремния. Установлено, что присутствие примеси водорода в кристаллах стимулирует процесс формирования собственного междоузелного дефектного комплекса 51-РК4.

4. Впервые обнаружено сверхтонкое взаимодействие от изотопа кремния 29Б1 для центра БьРК4. На основании анализа СТ структуры показано, что в молекулярную структуру центра вовлечены два по одному неэквивалентному атома кремния и четыре эквивалентных атома кремния. Определены главные

значения и оси g- и А-тензоров центра 81-РК4 при температурах 77 К и 300 К. Показано, что повышение температуры образца до 300 К, приводит к заметному изменению параметров g-тeнзopa.

5. Из анализа результатов СТВ от изотопа 29Б1 установлено, что: 41% ВФ парамагнитного электрона принадлежит одному неэквивалентному атому кремния и только 16 % - четырем эквивалентным атомам кремния, а волновая функция парамагнитного электрона состоит из 30% ЗБ и 70% ЗР - состояний,

,, Л

с определенным вкладом ¿-состояния, такое явление совершенно нетипично для дефектов вакансионной природы, а более характерно для дефектов мез-доузельного типа. Показано, что тензор сильного СТВ, имеет строго тетрагональную симметрию А-тензора, т.е. А-тензор аксиально симметричен относительно оси (001).

6. Из симметрии g- и А-тензоров и локализации парамагнитного электрона выявлено, что центр Б1-РК4 является дефектом междоузельного типа, ядром которого является атом кремния. Подтверждением этого являются обнаруженные угловые зависимости сверхтонких сателитов от одного неэквивалентного атома с большим расщеплением и четерех эквивалентных атомов кремния. Из анализа условий наблюдения спектра РК4 следует, что этот дефект, по-видимому, находится в положительном зарядовом состоянии и его энергетический уровень находится вблизи середины запрещенной зоны.

7. На основе экспериментальных результатов, полученных по одноосному сжатию были определены энергии активации и частотные факторы процессов атомной реориентации для собственного междоузельного комплекса (51-РК4) и пентавакансии (Р1). Показано, что энергетический барьер для атомной рео-риетгганни мсетдоуэслмгого комплекса составляет АЕ - ? 8110.] чВ, частотный фактор т0 ~ Ю18 с"1, а для 8ьР1 значение АЕ=1.5±0.01 эВ, частотный фактор То"1 =7.1-1011с"1, что свойственно для дефектов с высоким значением энтропии (для центра 5ьРК4, Д8«7 к) и конфигурацией "растянут", на несколько атомных объемов, вовлекая в себя по крайней мере, шесть атомов кремния.

8. Определены константы пьезоспектроскопического тензора междоузельного комплекса 8ьРК4; проведено сравнение с теми же данными для мультива-кансионного дефекта (Р1). Установлено, что для обнаруженного центра величина поляризации сохраняется в течение нескольких суток даже при комнатной температуре и выше. Показано, что при температуре 720К переори-ентационные процессы протекают достаточно эффективно.

9. Впервые предложена наиболее вероятная микроскопическая модель для собственного междоузельного комплекса 8ьРК4 монокристаллического кремния, удовлетворительно описывающая полученные теоретические и экс-

Основное содержание диссертационной работы опубликовало в следующих работах:

Статьи:

1.-Тожибаев Г.О., Махкамов Ш.М., Горелкинский Ю.В., Махов A.M., Typc\iioi; П.А. Щонтификация мсыдом Jlli' ^обс1ьсШ!о: о мс/ЫиузелыЮ!о комплекса в кремнии.// ФТТ, т.38, №4, 1996, с.987-992.

2. Махкамов Ш., Тожибаев Г.О., Горелкинский Ю.В., Турсунов Н.А. Исследование влияния одноосного сжатия на переориентацию собственного междоузельного дефекта в кремнии.// Уз. Ф.Ж., №1 1997, с.39-41.

3. Ш.Махкамов, Г.О.Тожибаев, Ю.В.Горелкинский, Н.А.Турсунов, З.М. Хакимов. Сруктурная модель собственного междоузельного комплекса в кремнии, сформированного при воздействии высокоэнергетичных частиц.// в кн. Ядерная и радиоционная физика, Том II: (Материалы 2-ой международной конфиренции, 7-10 июня 1999 г., Алматы, Республика Казахстан) - Алма-ты: ИЯФ НЯЦРК, 1999 г.-300 стр.

4. Sh.M. Maklikamov, Yu.V. Gorelkinskii, G.O. Tojibaev, Z.M. Khakimov, et.al. Structural model of self-interstital complexin in silicon.// Uzbek. -J. Phys., V.l,№4, 1999.

5. Тожибоев Г.О. Электронный парамагнитный резонанс дефектных состояний в монокристалическом кремнии. Препринт ИЯФ АН РУз Р-2-646. Ташкент 2000 г. 20 с.

Тезисы докладов:

1. Гор.?.;;:;::,:гп!Й Ю.тз., Пухг.рхю), К.Г, А ¡Л , Ачмы-ы:;;',: А , Тажибоев Г.О., и др. Влияние предварительной термообработки на кластеризацию радиационных дефектов в кремнии.// Тезисы докладов межотраслевого совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 21-26 июня 1993 г. с.69.

2. Горелкинский Ю.В., Махкамов Ш., Тожибаев Г.О., Турсунов Н.А., Махов A.M., Ашуров М, Саидов Р.П., Мартынченко С.В. ЭПР исследования кластерных дефектов в термообработанном кремни.// Тезисы докладов X-конференции по химии высокочистых веществ, Нижний Новгород, 30 мая-1 июня, 1995 г. с.165-166.

3. Sh.M. Makhkamov, Yu.V. Gorelkinskii, G.O. Tojibaev, Z.M. Khaki-mov, N.A. Tursunov, M. Ashurov, R.P. Saidov, S.V. Martynchenko. Dtermination of piezospectroscopic tensor by metod of mono-axis stress of silicon irradiated by hidh energy particles. Abstracts the third international conference «Modem problems of nuclear physics» Bukhara 23-27 August 1999. p.292.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. тТ

Рис.1. Спектр ЭПР ЗЬРК4. Стрелками показаны сверхтонкие сателнты от изотопа

•е 5

19

18

17

1 .. . , .А« » ' - ■ I

1 « с

0 20 40 60 80 ф°, угол

Рис.2. Угловая зависимость сильного СТВ от одного атома 2,8и

б /у^

1322.5

II || [100] у=37.24 СЮг Т=300 К Р || [110]

1324.5 1326.5

Магнитное полещТ

Рис.3. Спектр ЭПР 81-РК4: а) до сжатия, б) после (110) аксиального сжатия.

Рис.4. Возможная модель центра 31-РК4.

КРЕМНИЙ МОНОКРИСТАЛЛИДАГИ ХУСУСИЙ ТУГУНЛАРАРО ВА РАДИАЦИЯВИЙ НУ^СОНЛАР ЭЛЕКТРОН ПАРАМАГНИТ РЕЗОНАНСИ

Тажибаев Райрат Орибжановнч ¥>ис%ача мазмуни

Мазкур ишда кремний монокристаллида мураккаб булган парамагниг марказлар учун g-, А- тензорларнинг хисоблаш услуби тартибга солиниб, тулдирилиб ва ЭПР услубида бу марказларнинг кондентрациясини ани1у1аш келтирилган.

Хусусий тугунлараро (ХТ) ва радиациявий ну^сонлар ЭПР услубида кремний монокристаллида урганилган ва тахлил ^илинган. Дастлаб тоблан-ган ва ю^ори энергияли протон ёки а- зарралар билан нурлантирилган наму-наларда БьРК4 ХТ ну^сон курилиб, унинг 5=1/2, §-тензорнинг С2 (топок-1шк-П) симметрияга эгалиги ва §-тензорнинг хароратга богашушги куриб чицилган. 51-РК4 ну^соннинг кузатилиш ^олатлари ва хосил булиш шароит-лари муайянлаштирилггш. 8ьРК4 ХТ ну^сопшшг 298!- изатопп билан ута ¡ш-зик таъсирлашуви (УНТ) биринчи марта урганилиб, бу УНТ амплитудаси, таъсирлашув катталиги фар^ига ^араб уч турга булинган ва учала тур учун А- тензор катталиги анш$ланган. А- тензорнинг бурчак бокланиши куриб чи^илиб, ну^сон тутунлар орасида жойлашганлиги анш$ланган. А- тензорнинг тахлилига асосан, ХТ ну^сон камида олтита кремний атомидан ташкил топганлиги тахмин ^илинган.

Бир элекгронли я^инлашувдаги тул^ин функдияси (ТФ) назарияси доирасида, парамагнит электроннинг ТФ си курилган. 41% парамагниг элек-тронншгг ТФ си битта ноэквивалент кремний атомига ва 16% туртта экшша-лет кремний атомига тегишлилиги ашнушнган. ТФ нинг битта ноэквивалент кремний атомидаги локализацияси 30% ЗБ, 70% ЗР дан ташкил топганлиги кузатилган.

Ну^соннинг микроскопик моделини яна ^ам аншьрол. тасаввур цилиш учун бир уцли <110> аксиал си^иш услуби ^улланилган. Бир у1$ли <110> ак-сиал ащиш натижаларига асосан ХТ 81-РК4 ва Бг-Р! (пентоваканция) радиациявий ну^сонларнинг ^уйидаги катталиклари ДЕ=(2.81±0.01) эВ, т=6.7х1018 с', ¿1=13.4 эВ, В2=-3.8 эВ, В3=-9.6 эВ БьРК4 учун ва ЛЕ=(1.5+0.01) эВ, т=7.1х10" с"1 Б^-Р! учун ани!$ланган. В3=-9.6 еУ тензорининг катта манфий ^ийматга эгалиги, си^иш уки <110> буйлаб, нисбатан атомларнинг зич жой-лашганлш и билан чушиширшпан.

Моделда келтирилган тугун уртасида жойлаштирилган водород атоми, ХТ 8ьРК4 ну^сошшнг хосил булиш шароитини юзага келтирувчи вазифаси-ни бажариши тахмин ^илинган.

ELECTRON SPIN RESONANCE STUDIES OF SELF-INTERSTITIALS AND RADIATION DEFECTS IN MONOCRYSTALLINE SILICON

G.O.Tojibaev

Abstract

In tin's work the determination of g- and" A-tensors of complex paramagnetic centers (self-interstitials and radiation defects) in monocrystalline silicon is developed and implemented for studies and analysis of these centers by ESR method.

For samples subjected to preliminary high-temperature processing and followed high-energy proton or a-particle irradiation the self-interstitial center (Si-PK4) with Ci (monoclinic) symmetry is observ ed and the dependence of its g-tensor upon temperature is investigated. Conditions of formation and observation of Si-PK4 center are optimized. The hyperfine interaction (HFI) of this center with MSi isotope is studied for the first time and three types of HFI are distinguished according to the HFI's amplitude. The angular dependence of A-tensor for these types' is investigated and from this dependence the self-interstitial nature of the observed defect center is shown.

In the framework of one-electron wave function picture 41% of the paramagnetic electron wave function is attributed to one non-equivalent silicon, but 16% of that - to four equivalent silicon atoms. For one non-equivalent silicon atom 30 and 70% of the wave function are located on 3s and 3p atomic orbitals respectively.

The single axis deformation technique is applied for clarifying a microscopic model of the defect center. According to our studies the following parameters are obtained: A£=(2.8I±0.01) eV, t=6.7-10is c'1, 0i=I3.4 eV, B2=-3.8 eV, S5=-9.6 eV for Si-PK4 and A£=(I.5±0.01) eV, t=7.M0" c'1 for Si-Pi (pentavacancy). The large negative value of B3 indicates more* dense packing of atoms along deformation axis.

Hydrogen involved in the proposed model of defect center is supposed to be a factor leading to formation of Si-PK4 interstitial defect.

Отпечатано на ротапринте ИЯФ АН РУ 702132, п.Улугбек, Мирзо-Улугбекского р-на, г.Ташкента Издательский отдел ИЯФ АН РУ . Заказ № 151 Тираж 100 экз. Уч. изд. л. 1,2 Редакторы: З.Фазылова Подписано в печать 12.05.2000 г.