Влияние изовалентной примеси германия на дефектно-примесное взаимодействие в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

А "

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ШИНКАРЕНКО Виктор Константинович

УДК 621.315.592

ВЛИЯНИЕ ИЗОВАЛЕНТНОЙ ПРИМЕСИ ГЕРМАНИЯ НА ДЕФЕКТНО - ПРИМЕСНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КРЕМНИИ

(01.04.07. - физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КИЕВ - 1991.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Ил статуте физики АН Украины

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старшин научный сотрудник В.И.Шаховцов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Валах II.Я.

доктор физико-математических наук, профессор Ыордкович В.Н.

Ведущая организация: ФТИ им А.Ф.Иоффе, г. С. Петербург.

Защита диссертации состоится " 30 " _гошаря 1992 г. в 1Б°- часов на заседании специализированного Совета по защита! К - 016.04.01 при Институте физики АН Украины по адресу: 252028, г.Киев, проспект Науки 46.

С диссоргацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ АН Украины.

Автореферат разослан "¿9." декабря 1991'г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат физико-математических наук

Пршонская О.В.

г г:;":

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Одной из наиболее актуальных проблем физики таердого тела является исследование закономерностей образования л взаимодействия дефектов. Особенно важны эти вопросы для физики полупроводников, тэк кок дефекты ( прежде всего включающие атомы примеси ) в очень сильной степени влияют на важнейшие физико-кимические свойства полупроводниковых кристаллов и изготавливаемых за их основе приборов.

Возникший сравнительно недавно интерес к легированию полупро-зодпиков изовалентными примесями / ИБП / связан с тем, что такие примеси, являясь, как правило, з.тпктрически пассивными, способны оказывать существенное ьлияние на состояние ансамбля точечных дефектов кристалла, открывая том самым новые возможности управления гвойствами полупроводниковых материалов.

Несоответствие ковалентных радиусов атомов примеси и кристаллической решетки полупроводника приводит к возникновению в ней попей внутренних упругих напряжений / ВУН /, которые могут существенном образом влиять на свойств полупроводниковых материалов и элементов микроэлектроники на их основе. Изучение эффектов, связанных : наличием таких поле?!, удобно производить с использованием ИВЙ, рак как в этом случае они проявляются в наиЗолее "чистом" виде.

Одной из наиболее важных технологических примесей в и Се шляется кислород. Обладая относительно высокой растворимостью при температуре выращивания кристалла, он образует пересыщенные твердые мстворы, в процессе распада которых появляются электрически актив-ше комплексы - термодефекты. Кислород активно взамодействует с рядам примесей, существенным образом влияя на процессы .радиационного 1ефектообразопания.

Целью работы является изучение влияния ИБП на поведение атомов сислорода и мелких водородоподобных примесей /ВПП/ в кристаллах сремния, изучение полей ВУН в них, а также исследование кинетики [акопления и отжига вторичных радиационных дефектов /БРД/ в кремом, легированном германием.

Научная новизна.

Показано, что уширение линий ИК поглощения, связанных с вну-•рицентровыми переходями ВПП в 31 и Се, определяется полями . ВУН, 'сродненными в объеме сферы воровского радиуса водородоподобного 1онтра /ВПЦ/.

Проведено детальное исследование низкотемпературного ИК поглощения примесного кислорода в Si, Се и Sl(Ge). Впервые показано, ото колебанию v3 квазимолекулы Ge.,0 в моыоизотопном Се соответствует сложная структура линий, идентифицированы полосы такой структуры в природном Се.

Предложена модель, согласно которой атом кислорода в квазимолекуле Si^O (Се£0) может совершать вращательное движение вокруг оси Sl-Sl (Ce-Ge). В приближении упругого ротатора объяснено возникновение полос - компонент колебания v3, появляющихся вследствие центробежного возмущения квазимолекул Si^O или Ge^O.

Установлен, чти щ-омы кислорода в твердых растворах Si-Ce располагаются преимущественно в полях растикепия решетки, что может быть связано с коррелированным расположением атомов кислорода и германия.

Показано, что введение атомов ИБП Се в S1 в определенном диапазоне концентраций может способствовать подавлению процессов образования ВРД. Этот эффект связан с тем, что атомы ИВП Се могут служить центрами непрямой рекомбинации первичных радиационных дефектов.

Практическая ценность работы.

Разработана методика неразрушающего контроля полей ВУН в S1 и Ge, базирующаяся на использовании ИК поглощения примесными центрами. Показано, что легирование S1 ИВП Се может способствовать повышению радиационной стойкости последнего.

На защиту выносятся:

1. Положение, согласно которому уширепие линий ИК поглощения, связанных с вкутрицентровьши переходами ВПП в S1 и Ge, определяется полями ВУН, усредненными в объеме сферы боровского радиуса водоро-доподобного центра /ВПЦ/.

2. Модель, согласно которой движение атома кислорода квазимолекулы S 1^0 (Се^О) описывается в приближении упругого ротатора и вывод о том, что расщепление полосы колебания v3 примесного кислорода в Si и Се обусловлено центробежной деформацией квазимолекулы Si-,0 < Сег0 >.

3. Вывод о том, что атом ИВП Се в Si является центром непрямо» аннигиляции первичных радиационных дефектов /РД/.

Апробация работы. Основные результаты диссергационной работы обсуждались на научнных семинарах Института физики АН УССР, Республиканских семинарах по радиационной физике твердого тела. (Киев, 1£йЗ-1991гг.), Всесозной конференции по радиационной физике полу-

проводников (Ташкент, 1984г.), Х-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Минск, 1985г.), Всесоюзной конференции "физические методы исследования и диагностика материалов" (Кишинев, 1986г.). VI и VII координационных совещаниях по исследованию и применению твердых растворов германий-кремний (Тбилиси, 1986г.; Баку, 1988г.), VI-А Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводниковых материалов (Москва, 1008г.), Х11-Й Всесозной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990г.), 16-й Международной конференции по дефектам в полупроводниках (ЬеМ#1, ЦБА, 1991.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти г лап и заключения, изложена на -/75? страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 7 таблиц. Список рассматриваемой литературы включает 193 наименования.

Содержание работы.

Во введении освещен круг проблем, исследуемых в диссертации, эбосповапа актуальность работы, сформулирована ее цель, излежено содержание диссертации, ее научная новизна, а также основные защищаемые положения.

Первая глава диссертации - обзорная. В ной содержатся литературные данные о влиянии ИВП Се на основные физические параметры хремния.

Вторая глава посвящена методике исследований. Описаны техника толучения ИК спектров высокого разрешения при криогенных температурах, методика приготовления образцов и юс подготовка к исследованиям.

В третей главе изложены экспериментальные данные по влиянию зазличных злектричесют пассивных примесей / ЭПП / ( Со, 5п и Сс1 в >1 и 51 в Пв ) на линии ИК поглощения мелких ВПЦ ( Р, В, ЭЪ ). Эбнаружено сильное неоднородное уширение, а также изменение формы сонтура этих линяй. Показано, что полуширина линий поглощения ВПЦ в голупроводниках с ИВП пропорциональна концентрации ИВП в степени ./г. Для ЭПП С(3 наблюдается существенное отклонение от этой

)ЗВИСИМ0СТИ.

Существенной особенностью ме.псих ВПЦ является сильная де-юкализация их электронных волновых функций. Исходя из этого, покоена теоретическая модель, основным положением которой было гредположение, что уширение определяется сродней деформацией в (бьеме локализации электронной волновой фупкции.-

Теория уширения линий примесных электронных переходов, пред-

3

ломанная Стоунхевом / 1 / в качестве основного предположения использует равенство:

В - t»»( ы -шо) -ере < 1 )

где В - сдвиг линии поглощения по отношении к резонансу, Р^ - компоненты тензора упругооптических коэффициентов, которые могут быть определены в данном кристалле из независимых экспериментов по смещению электронных уровней при использовании аксиальных давлений, - компоненты тензора деформаций, создаваемых в точке, где находится поглощающий центр, упругим полем дефекта, расположенного в точке с координатами г., Н - число дефектов, создающих упругое поле в кристалле, сдвиг линий поглощения пропорционален суммарной деформации, создаваемой всеми дефектами, в месте, где находится оптический центр. Очевидно, что дхя глубоких центров с сильно локализованной электронной волновой функцией можно пренебречь изменением суммарной деформации на расстояниях порядка размера самого оптического центра.

Предположение ( 1 ) может не выполняться для случая злектрон-ных переходов в ВПЦ, поскольку дая таких переходов уже нельзя пренебречь изменением суммарной деформации на расстояниях, приблизительно равных удвоенному радиусу боровской орбиты 2 г6. В результате проведенного ваий усреднения деформации в объеме сферы боровского радиуса получено интегральное представление формы линии:

J(e) = 1- Г e"Mt" cos<et + Nt" ) dt < 2 )

2xJ*

—CO

где

Ы = 1 p |A| e(o)J *"<,>,e> (30, ( 3 )

e

*<*> в)

А - деформационный заряд атома ЭПП, - угловые компоненты тензора деформаций, содаваемых точечным упругим центром, а^ - символ Кронеккера.

Машинным интегрированием выражения ( 2 ) получен контур, весьма близкий к экспериментально наблюдаемому < рис. 1.). Получено также выражение джя полуширины линии:

Г - У-рЩ" < в )

4

N = 1- р |А| е<о)/ tfV,в) dО,

Зв

OX i л

— Е Р (О ---—- \

w w Zp 0(1

£ *

aft

г*

( * >

< 6 >

сUCM'V

j

Jl

'¿Su M-mг

гёо

Рис. 1. Форма лшии ИК поглощения фосфора (переход 1 ,-2р) в S1 (а) и Sl-Ge (б). 1.- эксперимент, 2.г лоренцев контур, 3.- расчет по формуле ( 2 ).

^(тЧ

Рис. 2. Зависимость полуширины Г линии поглощения 1-й фосфора от концентрации Э1Ш. я) - SUGo.P), б) - SKSn.P), п) - Sl(Cd.P).

т.е. одинаковое влияние на полуширину линии может быть оказано либо изменением концентрации дефектов, создающих упругие поля, либо изменением деформационного заряда вводимых дефектов. Для концентрационной зависимости полуширины линии наблюдается хорошее соответствие экспериментальным данным (рис.2).

Некоторой особенностью обладает зависимость полуширины Г от

Во- первых, наклон прямой заметно меньше 1/2, а, во-вторых, при концентрации Ыо<1 » 3-1017 см-3 наблюдается скачек с последующим выходом на полочку при Н^ > 7-1017 ат.сы~3( рис. 2 <в) ). Уменьшение наклона линейного участка в диапазоне концентраций = 8-Ю14 + 3-1017 ат.сы-3, по сравнению с рассчетнным, обусловлено, по-видимому, тем, что в теории центрами, создающими упругие поля, являются атомы ИБП, а в данном случае такими центрами являются кластеры гадолиния. По всей видимости, наблюдающийся скачек, является следствием изменения характера распределения С с! в £1(1'). Ранее аналогичная зависимость величины ВУН от в 21 <Р) была обнаружена Кустовым / 2 / при исследовании линий ЭПР тензозонда Ге°.

В четвертой главе проведены детальные исследования полос ИК поглощения, принадлежащих примесному кислороду в 51, Со и в1<Се>. Исследованы температурные зависимости интенсивности полос - компонент колебапия квазимолекул Б120 и Се£0, а также, связанная с 51^0 низкочастотная линия поглощения 20.3 см"1. Использование моно-изотопногр Се, дало возможность установить, что при 'I ~ 3-4°К колебанию квазиыолекулы Се20 соответствуют четыре линии А, В, С и I) с расстояниями мещду ними: 0.07, ава= 0.23 и <1с[)«0.48 см"1 и полушириной Н » О.Ов см-1 < рис. 3 (б) ). Сравнение поглощения лри-ыесного кислорода в области колебания у^ в 51 и Со обнаруживает подобие как самих спектров, так и изменений, происходящих в них, при увеличении температуры. ( рис. 4 >. При отом можно выделить следующие особенности:

- изменения соотношения кптенеивпостей компонент колебания квазимолекулы Се.,0 в области температур 3 *■ Б0°К такио «о как для 51^0 в температурном интервале 40 * 150°К;

- для Се^О характерны очень малые расстояния между компонентами колебания v3, например, <1ли5> 0.07 см-1 по сравнение с в см-1 Дня 51£0;

- в отличие от для которого расстояния между компонентами колебания v3 практически одшшеооы <с!ло »0,1 см"1, <1>а С.З ем"1), дам Со_,0 наблюдается существенное увеличение отих расстояний для каждой последующей пары линий.

е

Рис. 3. Спектр поглощения примесного кислорода в природном * Се (а) и моноиаотопном 74Се (б).

Лгс. I.. Рли/пда"* тошгр'-41 г1-,'»<ггр» И|С сигллщепяя

Таблица 1.

Экспериментально наблюдаемые и вычисленные частоты колебания у3 квазимолекулы Се^Э.

N0 лп ЦКСП. знач. <сн-')| компоненты! Ыы-числ. знач. 1 (си"*)| Отн. интенс (вы- 1 числ. ) | N0 пп зкеп. знач. 1 (сн"4).| Компоненты! Ым- ' числ. знач. { <с«-)| Отн. интенс. шсл. )

1 884.00 884.00 11.18 18 882.18 882.18 47.3

2 863.93 % 883.931 17.88 а, 882.158 23.8

6 ВСЗ.70 Со 883.710 8.35 1? 881.98 881.98* 46.8

4 8в3.48 кг 883.478 29.9 в* 881.943 1.18

Б 883.41 883.409 47.31 18 881.91 с7 881.035 11.26

в 883.24 883.225 1.18 вв 861.91* 73.88

Л, 883.222 8.48 18 881.74 861.744 3.23

7 883.19 сг 883.188 22.33 20 881.68 881.605 6.87

883.1БЗ 13.38 861.69* 34.95

8 882.99 V 882.988 59.85 в0 861.875 5.1

8 832.04 882.932 8.32 21 881.50 \о 861.507 16.07

10 882.01 862.889 94.5 со 881.45'! 2.41

11 882.71 882.718 11.31 22 861.43 881.45 1.59

»г 882.703 3.18 В*о 881.438 23.8

882.878 44.7 23 881.21 с,0 881.217 11.28

12 882.65 882.849 17.86 881.21* 4.93

13 882.47 882.470 83.33 881.042 1.58

882.447 0.89 24 880.97 880.073 2.5

се 882.428 8.45 еео.вео 0.34

14 882.39 882.401 100 880.752 1.18

15 882.23 А/ 882.225 15.07 \о 880.732 1.59

882.193 е.з 880.287 0.17

принвч&нив

- Экспериментальные значения, полученные дли Се 0.

Полученная вами информация о структуре спектра поглощения дяя колебания у3 моноизотопвого '"'Се < иди 7*Се ) позволила провести идентификацию всех полос, наблюдаемых дяя природного Се, а также, оная изотопный состав необагащенного материала, выполнить оценку их относительных интенсивностей < табл. 1 ).

В настоящее время остается открытым вопрос о природе раещепло-аия полосы колебания у3 кислорода в Б1 и Со. Предложенные в литературе модели можно свести к трон. В первой из них различные полосы -

компоненты колебания v3 связываются с различными кислородо-содержащими дефектами: как с квазимолекулой так и с преципитатами БЮ.,- фазы / 3,4 /. В модели, выдвинутой Пажо / Б /, расщепление колебания у3 объясняется снятием шестикратного ориентаци-онного вырождения квазимолекулы Б1г0 <Сег0) в решетке 31 <Се). Босомворф, Боткине и др. / 8 / обнаружили низкочастотную полосу 29.3 см"1, связанную с колебанием квазимолекулы Б1^0. Они соотнесли ео с колебанием кваоимолекулы Б1г0 и предположили, что расщепление полосы колебания у3 происходит вследствие взаимодействия между этими двумя колебаниями. Согласно / в / такое взаимодействие обусловлено энгармонизмом колебания

Пи одаа из этих моделей не может объяснить все наблюдающиеся факты. Так, сильное иг.менепие интенсивности линий - компонент колебания у3 вблизи гелиевых температур, а также то обстоятельство, что эти компоненты имеюгг приблизительно равные полуширины, свидетельствует о неприменимости модели различных фаз примесного кислорода, поскольку, во-первых энергия тепловых колебаний слишком нала для. какого бы то ни бьию перехода одной фазы в другую, во-вторых - полуширина полос свидетельствует о принадлежности этих колебапий слабо взаимодействующим квазимолекулам. ( Микропороики различных кристаллических модификаций Б10г. будучи запрессованы, в КВт, а также топкие пленки Б10а на поверхности кремния дают широкие 5езструктурные полосы, интенсивность которых слабо зависит от температуры / 7,8 /).

В модели Пажо остается непонятной сама причина снятия ориепта-дионного вырождения. Кроме того, в рамках этой модели трудно обметить поведение спектра при более высоких температурах.

Модель Босомворфа, Воткинса и др. / в / представляется наиболее приемлемой, однако авторы этой модели, для объяснения причины юаимодействия двух нормальных колебаний, используют представление хЗ энгармонизме колебания что противоречит экспериментально

габлюдоемым фактом. Так, энгармонизм приводит к смешиванию волновых функций колебаний ч3 и vг, вследствие чего колебапия перестают быть юрмальными, т.е. независимыми колебаниями. В таком случае колеба-сио также не может оставаться гармоническим нормальным колебаии-;м. Однако для колебания v3 наблццается очень хорошее соответствие [астот, наблюдаемых при изотопическом замещении атомов Б1, Се и О г вычисленных, согласно гармонического приближения /в /.

В случае ангармонического колебания среднее положение колеблю-(егося атома не совпадает с положением его равновесия. Молекула до-

0

формируется. Согласно спектроскопических данных, переход квааи-молекулы Б1г0 к возбужденный состояниям сопровождается значительной ее деформацией. Так, уже дхя п - 1 Аг « 38 * г, где г -расстояние от стона кислорода до оси Б1-£1. Появление столь больших деформаций должно сопровождаться сильно выраженным энгармонизмом, который, согласно / 10 /, приводит к:

1. Нарушению цраши отбора. Вместо переходов с и • 1 1, фигурирующих в / в /, должны появляться переходы с ¿.Т » ±1, *3 и т.д..

2. Появлении комбинационных частот. Наряду с серией у3- ув должна наблвдаться также и серия у3 + Уг. Полосы-компоненты колебания у3 могут быть приняты за серию у3- vг, но в области у3+ уа поглощение полностью отсутствует.

Таким образом, в отой модели вызывает сомнение сам механизм взаимодействия колебаний у3 и у2, а также соотнесение серии полос в далекой ИК-области с возбужденными состояниями нормального колебания Уг. Необходимо найти другой механизм взаимодействия этих колебаний, свободный от указанных недостатков. В качестве такого механизма можно предложить колебательно-вращательное взаимодействие, приняв, что атом кислорода может вращаться вокруг оси 51-51 и, что квазимолекула 51£0 подвергается при этом сильной центробежной деформации. В таком случае полосы в далекой ИК-области представлят собой вращательные переходы упругого ротатора, а полосы - компоненты колебания у3 суть колебательные возбуждения по разному деформированных, вследствие центробежного возмущения, квазимолекул.

Малые расстояния между полосами - компонентами колебания у3 квазимолекулы Сег0 свидетельствуют о том, что ее центробежная деформация, в отличие от весьма незначительна и приближение жесткого ротатора в этом случае является хорошим, по крайней мере для первых возбужденных состояний.

В приближении жесткого двумерного ротатора проведена оценка интенеианостей линий и минимально возможных частот г> для Се„0. В результате получен набор уровней с анергиями 3.2; 12.8 и 2в.8см~. Учитывая правила отбора < Лп = ± 1 ), мы должны наблюдать перехода с частотами 3.2; 0.6 и 18 см"1. Учет возможной колебательной компоненты, а также того, что высота барьера вращения отлична от нуля, приведет к некоторому увеличении этих значений, и наоборот - не-шесткость квазимолекулы при больших значениях квантового числа п вызовет некоторое уменьшение расстояний между соответствующими линиями.

Тот факт, что указанные линии до сих пор экспериментально не обнаружены, связан, по-видимому, с двумя обстоятельствами: - во-первых - низкие энергии спектральных линий, попадающих в малоисследованный спектральный диапазон, и, во-вторых, - их слабые интенсивности. ( Выполненная нами оценка ожидаемых интенсивностей низко-энергетических линий показывает, что эти интенсивности в Се(0) на 2*3 порядка ниже чем в 51(0) ).

Предложенная модель, в отличие от трех вышеназванных, хорошо объясняет, по крайней мере на качественном уровне, температурные зависимости интенсивностей линий - компонент колебания в БI и Се. Для болъцмаповского распределения засоленностей уровней осциллятора нижайшие состояния остаются наиболее заселенными при любой конечной температуре. Для ротатора, вследствие того, что энергии вращения соответствует (23 + 1) состояний, заселенности нижайших состояний с повышением температуры быстро падасгг, чем и объясняется изменение соотношения интенсивностей линий - компонент колебания

Введение в Б1 атомов Се сопровождается существенным изменением спектра поглощения примесного кислорода. Наблюдается сильное ушире-ние полосы 29.3 см_1< vgp ) ( и в 20 раз для Лов» 7>1СГ°см'' ) и смещение ее максимума в сторону больших энергий. Происходит такие уширение полос 1136.4 и 1128.3 см"1, причем уширениэ последней гораздо сильнее. < Малоинтенсивную полосу 1122 см-1 практически трудно выделить >. Смещение максимума полосы УВр противоположно тому, что наблюдается при одноосном сжатии /8 /, отсюда следует, что квазимолекулы Б1^0 располагаются преимущественно в местах растяжения кристаллической решетки. Вывод о коррелированном расположении атомов кислорода и полей ВУН подтверждается также анализом интегралов Фойгта, описывающих контуры линий и vgp для 31<Се,0): в от-сутствиа корреляций между расположением квазимолекул 51^0 и деформационными полями в приближении упругого ротатора должно наблюдаться уширение полос < более существенное для vBp ) и незначительное смещение максимума полосытВр в низкоэнергетическую сторону.

В пятой главе исследовано влияние ИВП Се на образование ВРД в Б1. Экспериментально показано, что введение ИВП Се в* монокристаллы кремния, подученные по методам Чохральского и безтигельной зонной плавки / БЗП /, приводит к снижению эффективности введения центров как вакансионного ( дивакансии и А- центры ) так и межузельного ( центр - 04 ) типов. При этом, согласно данным ИК- и ЭПР- исследований, не возникают дополнительные центры, которые могли бы повлиять на баланс первичных радиационных дефектов в кристалла.

И

Высказано предположение», что атомы ИБП Се в Б1 являются центрами непрямое аннигиляции первичных радиационных дефектов. В подтверждение этого предположения рассмотрены основные реакции между пярвичными 1Д:

а) е - 1,У,У2 ; • ■ в> Се + V «-» ( Се-У );

в) ( Се-У ) + I •» Се; г) V +■ V » У2; ( 7 у

я) У2 + I • V; е) у + 0 •» А;

■ ) А + I - 0.

Здесь реакция • соответствует образованию I, V и 72 при действии радиации; реакция « - образованию и распаду комплексов <Се-У). Реакции в и * описывают восстановление свободных атомов Се и 0 при аннигиляции I и вакансии V, входящей в комплекс (Се-У) и А-центр. Реакции г и в описывают соответственно образование А-центров и У2, д - образование У при взаимодействии I с У2. Прямая ашшгиляцияи У и I представляется малоэффективной в исследуемых образцах, содержащих высокие концентрации Се и кислорода.

Система кинетических уравнений, соответствующих вышеуказанным реакциямб, имеет вид:

йИ 2 N

— " *•! - *В.У »V »Се " «О'Л «О + »1 - »«^У + '

о ь 2 2 и д

3 - + 2Хг - жд^г - - - ,

ТТд ■ и ^ - «д1 Нд Н, - . ( 8 )

ах д

4 с! N ., 2

а г о £ 2 2

В ( 8 ) И,, ИуН т.д. обозначают концентрации соответствующих частиц; вероятности реакций между частицами сортов 1 и у, Л., и Х2- скорости образования первичных радиационных дефектов I, V и У2 под действием радиации.

Использование экспериментальных данных позволяет упростить систему ( 8 ). Так, в рассматриваемом здесь случае концентрация свободных атомов кислорода заметно превышает концентрацию А-центров

< Мл « Н0, ). Ввиду большой вероятности захвата комплексом

< Се-У ) межузельного атома I можно счэтать, что Мд * ЫСе г. . В рассматриваемом далее квазиетационарном приближении это неравенство сводится к условию ] .» ае^у. Как следствие этих

12

приближений, разумно предположить, что выполняются неравенства : хо^а » аЯ1Нй » аег|1 Ыа; X,» ; (9)

Тогда в квазистационарном приближении (сИ^/сН = (Ш^/сН - сШ /¡М =0) получаем:

зе Н<0>

N = —[ зе Ы<0> + ас Ы<0>1 - Г 1- ехр <-Хаае г Л, < 10 )

а _ „ ^ о»у о • ОУ о Ц г л. г лх 'у ' * '

X АХ

а ч 1 ае 1 ж * к *

X X V X XV

а ж

где 1; - время облучения, а = 1=0 ). = Ио< 1>0 ).

Количественное сравнепие полученных дозовых зависимостей для концентраций А-центров и давакансий с экспериментальными затруднено тем, что абсолютные значения величин ае—, т, неизвестны. Однако, .поскольку при легировании 31 германием в исследуемых концентрациях не наблюдается заметного изменения примесно-дефектного состава кристаллов, можно полагать, что - одно и то же как в Б1, так и в й1<Са). Сравнив теоретически полученные величины и с экспериментальными для в области больших доз, когда справедливо квави-стационарное приближение, можно определить величины X^ ¡ае^ г и Х111зел, и построить теоретические временные ( дозовые ) зависимости ЫА и Я^в твердых растворах Б1(Се) ( рис.Б >. Как видно, согласие с ¡экспериментальными данными в пределах точности эксперимента удовлетворительно е.

Для БЗП кристаллов, содержащих малые концентрации примесного кислорода реакции а и я становятся несущественными и соответвую-щая система кинетических уравнений принимает вид:

ЧМ„ 2 II

--- - X, - - аВеУ Н,, МБе + . х„ „Н,,

а ъ "-д 2 2

й N , N.

--- х, + гх2 - З2д1н13н1 - - »^^ы,

а Н а М а

- «веУ ^ N(3* - *91 "а »1 - -а- 9 •

О Н 2

--- 2 - Х2 + - ае N К, .

о г 2 2

( 12 >

В рассматриваемой экспериментальной ситуации разумно предположить, что выполняется следующие неравенства:

• «Ge^G^V ■ *V2I Kv/l Ж • < 13 )

В квазистационарном приближении система < 12 ) приводит к результату:

Хгае

N - f —i— 4--——,—-— l.f 1 -exp(-2Xtав t>1, < 14 )

"ж I 2tt*v , 2A.iaev жаео.»На.а. ■» . . a. 'J •

а » * *

где t - время облучения. При достаточно больших временах t, соответствующих установлению стационарного состояния, из ( 14 > получаем:

-f-2 + ( 1Б )

где а и b - const. На рис. в представлена экспериментальная зависимость коэффициента поглощения, пропорционального стационарной концентрации дивакансий, от 1 / Как видно из рисунка,

наблюдаемая зависимость соответствует теоретической ( 1Б >, что свидетельствует о правильности сделанного предположения, согласно которому атомы Се являются центрами аннигиляции V и I.

15

--я--*---T-rrr — t

--2

У

f

/

>

Рис. Б. Дозовые зависимости _i..i 11 j, поглощения А-цвнтрч (я> и Ф ливакаисии(б) в кристаллах S1 <t > и S.l-Ge {?■).

Рис. в. Зависимость коэффициента поглощения в максимуме полосы дивакансий от М^ 2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Обнаружено сильное неоднородное уширенне спектральных линий ВПЦ в и Се при легировании этих полупроводников ЭПП ( Се, Бп, Сй в и 31 в Се ), что объясняется наличием в решетке полупроводника хаотических деформационных шлей вызванных присутствием ЭПП.

2. В кремнии с ИБП обнаружено изменение формы контура спектральных линий ВПЦ от лоренцевой к форме близкой к гауссовой.

3. Предложена модель, согласно которой упшреиие резонансных линий ВПП в и Се определяется полями ВУН, усредненными в объеме сферы боровского радиуса ВПЦ.

4. Показано,что полуширина линий ВПЦ пропорциональна произведению концентрации атомов ИВП на деформационный заряд отих атомов в степени 1/2, как это и следует из предложенной модели.

5. Установлено, что вблизи гелиевых температур с колебанием v3 моноизотопной квазимолекулы Се^О связаны четыре лиши поглощения.

6. Показано, что наблюдается полная аналогия для температурных зависимостей спектров квазимолекул 51?0 и Се^О.

1Б

7. Предложена модель, согласно которой атом кислорода может вращаться вокруг оси S1-S1 < Се-Со ) в квазимолекуле 31г0 ( Се^О). В приближении упругого ротатора объяснено возникновение полос компонент колебания v3, появляющихся вследствие центробежного возмущения квязимолекул Sl^O или Се^О.

8. Показано, что предложенная модель упругого ротатора дает возможность описать температурные изменения полос - компонент колебания v3 как в чистых S1 и Се, так и В твердых растворах Si-Ce, а также различие в тензочувствительности полос 1136.4 и 29.3 см-1.

9. Установлено, что атомы кислорода в твердых растворах Si-Ge располагаются преимущественно в полях растяжения решетки, что может быть связано с наличием корреляций в расположении атомов кислорода и германия.

10. Введение атомов №11 Ge в Si в определенной области концентраций способствует повышению радиационной стойкости материала. Предложена модель, согласно которой атомы ИБП Се могут служить центрами непрямой рекомбинации первичных РД в S1.

Цитированная литература:

1. Stoneham A.M. Shapes of Inhomogeneously Vroadened Resonance Lines In Silicon.// Rev.Mod.Phys.- 1969.- 41_, N 1.- P.82-108.

2. Бугай A.A., Кустов B.E., Семенов .Г. ЭПР тензозондов в кремнии, легированном гадолинием. // ФТТ - 1985.- 27. в.в.- С. 1824-1829.

3. Малышев В.А. Фазовые состояния кислорода в кремнии. // ФХП -1974,- 8, В.1.- С. 148-153.

4. Влияние термообработки и облучения на состояние кислорода в кремнии. / Комалева Ф.Н., Мордкович В.Н., Темпер Э.М., Хартен-ко В.А. // ФТП - 1978.- 10, В.2.- С. 320 323.

Б. Pojot В., Cales В. Infrared spectroscopy oí interstitial oxygen In silicon. // Material Research Society Simposium Procedlng.-1985. Boston.- 59 P. 39-44. 8. Absorption ol oxygen in silicon 1л the near and far Inlrared. / Boaomworth D.R., Hayes N.. Spray A.R.I., Watklns C.D. // Proc. Roy.Soc. bond.- 1970.- ЗЦ» N 1538, P. 133-152.

7. Гроза A.A., Куц В.И. О состоянии кислорода в кремнии. // ФТП 1978.- 12, в.Б.- С. 952-954.

8. К вопросу о поведении кислорода в Si./ Вакулова Г., Витмон Р.Ф.. Лебедев A.A., Мухаммедов С. // ФТГХ - 1332.- 16, В. 1?..- С. 22042206.

9. Герцберг Г. Колебательные и вращательные спектры многотомны» молекул. Ы.- 1919. 647с.

10. Эткинс П. Кванты. - М.: Мир.- 1977. 496с.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Исследование радиационных дефектов в сплаве S1 - Се методом ЭПР и ИК спектроскопии. / Бугай A.A., Максименко В.М., Туровский Б.М., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шишсарешсо В.К., Горбачева Н.И. // ФТП - 1984.- 18, d.U.- С". 2020-2023.

2. Фононные спектры поглощения твердых растворов S^ -Gej<. / Саи-дов М.Р., Атабаев И.Г., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шинка-ретсо В.К., Юсупов А. // Доклада АН Уз.ССР - 1986.- N 3.- С. 24-26.

3. Уширение полос поглощения водородоподобных центров в кремнии с изовалентными примесями. / Мизрухин Л.В., Мильвидский М.Г. Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шипкаренко В.К., Горбачева Н.И. // ФТП - 1988.- 20, в.9.- С.

4. Исследование колебательных спектров поглощения кислорода в твердых растворах Sl<Ge>. / Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шин-каренко В.К. // ФТП - 1988.- 20, в.12.- С. 2222-2225.

5. Особенности процессов радиационного дефектаобразования о кристаллах Sl<Ge>. / Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шипкаренко В.К. и др. // ФТП - 1987.- 21, В.З.- С. 582-585.

6. Упругие напряжения в S1 с электрически пассивными примесями. / Мизрухин Л.В., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шипкаренко В.К., Япшик В.И. // ФТП - 1989.- 23. в.4.- С. 704-708.

7. Структура ИК поглощения кислорода в германии / Хирунепко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. // ФТП - 1990.- 24, в.в.- С. 1051-1055.

8. Межпримесное взаимодействие в кремнии с нейтральными примесями. / Мизрухин Л.В., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шипкаренко В.К., Яшник В.И. // В сб. Свойства легированных полупроводниковых материалов, под ред. Земскова B.C. - М.: Наука - 1990. - С. 188-190.

9. Электронные спектры поглощения водородоподобных центров в твердых растворах Sl<Ce>. / Мизрухин Л.В., Хируненко Л.И.,. Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. // Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по физике полупроводников. Минск - 1985. ч.З, - С. 101-102.

to. Хирунепко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. Применение ИК

17

спектроскопии для обнаружения внутренних упругих нолей в кремнии. // Тезисы докладов I Всесоюзной конференции "Физические методы исследования и диагностика материалов и элементов вычислительной техники", Кишинев - 198в.~ С. 118.

11. ИК поглощение воородоподобных центров в твердых растворах Sl<Ge>. Мизрухив Л.В., Мильввдский М.Г., Хируненко Л.И., Шахов-цов В.И., Шинкаренко В.К. // Тезисы докладов VI координационного совещания по исследованию и применению сплавов кремний-германий. Тбилиси - 1986.- С. Б7-58.

12. Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. Особенности ИК поглощения кислорода в твердых растворах Sl<Co>. // Тезисы докладов 71 координационного совещания по исследованию и применению сплавов кремний-германий. Тбилиси - 198G.- С. 79-80.

13. Межпримесное взаимодействие в кремнии с нейтральными примесями. /Мизрухин Л.В., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К., Яшник В.И. // Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводниковых материалов. М.: Наука - 1988 С.141.

14. Радиационное дефектообразование в кристаллах S1 - Се. / Критская Т.В. , Хируненко Л.И. , Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К.,. Яшник В.И. // Материалы докладов VII координационного совещания по исследованию и применению твердых растворов германий-кремний. Баку: ЭЛМ - 1988. - С. 74.

1Б. ИК поглощение кислорода в германии. / Воробкало Ф.М., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. // XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников, тезисы докладов.- Киев 1090г.- 4.1 - С.301-302.

18. Изучение внутренних деформационных полей в изоввлептно легированном кремнии методами ИК и ЯМР спектроскопии. / Лотов-ченко А.С., Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. // XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников, тезисы докладов.- Киев - 1890г.- ч.2 - С.237.

17. Khirunenko L.I., Shakhovtsov V.I., Shinkarenko V.K. IR absorption in monoiBotoplc Germanium. // Proceedings oi the 16th Intl. Conf. on Defects in Semiconductors I Lehigh, USA, 1991.- Р.42Б -432 .