Моделирование наноразмерных областей разупорядочения, созданных ионизирующими частицами в кремнии

• Автор: Коваленко, Максим Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Радиационные дефекты в кремнии

1.1. Простые радиационные дефекты

1.2. Первичные радиационные дефекты

1.2.1. Вакансия

1.2.2. Междоузельный кремний

1.2.3. Дивакансия

1.3. Вторичные радиационные дефекты

1.3.1. Многовакансионные комплексы

1.3.2. А-центр

1.3.3. Е-центр
1.3.4. К-центр
1.3.5. Комплекс 81]В
1.4. Выводы к главе
2. Модель образования радиационных дефектов в кремнии
2.1. Образование вакансии и междоузельного кремния при разделении пары Френкеля
2.2. Образование первичных радиационных дефектов в каскаде смещений
2.3. Взаимодействие электронов с атомами кристаллической решетки
2.4. Взаимодействие протонов с атомами кристаллической решетки
2.5. Система уравнений, описывающая образование вторичных радиационных дефектов
2.6. Выводы к главе
3. Расчёт образования первичных радиационных дефектов
3.1. Анализ процесса разделения пар Френкеля
3.2. Расчёт положения уровня Ферми в запрещённой зоне кремния
3.3. Расчёт линейной скорости генерации первичных радиационных дефектов
3.4. Анализ зависимостей линейных скоростей генерации первичных

радиационных дефектов от температуры
3.5. Анализ зависимостей линейных скоростей генерации первичных радиационных дефектов от положения уровня Ферми
3.6. Выводы к главе
4. Расчёт образования вторичных радиационных дефектов
4.1. Изменение концентрации носителей заряда в кремнии в результате облучения потоком частиц
4.2. Анализ зависимостей концентрации вторичных радиационных дефектов от температуры
4.3. Расчёт зависимостей концентраций вторичных радиационных дефектов от концентраций примесей
4.4. Статистика заполнения электронных состояний, созданных вторичными радиационными дефектами в запрещённой зоне кремния
4.5. Выводы к главе
5. Анализ образования областей разупорядочения
5.1. Параметры областей разупорядочения
5.2. Зависимость линейной скорости генерации от температуры
5.3. Зависимость линейной скорости генерации от положения
уровня Ферми
5.4. Плотность электронных состояний
5.5. Статистика заполнения электронных состояний в областях разупорядочения
5.6. Разность потенциалов между областью разупорядочения и объёмом кремния
5.7. Электронно-энергетическая диаграмма р-п-перехода с областью разупорядочения в субмикронном слое p-типа проводимости
5.8. Выводы к главе
Заключение
Список использованных источников
Введение
Актуальность темы исследования. Полупроводниковые материалы -основа современной электроники. Облучение потоком ионизирующих частиц приводит к образованию радиационных дефектов.
Значительный вклад в исследование механизмов радиационного дефекто-образования в полупроводниках внесли отечественные учёные: Асеев A.JL, Болотов В.В., Булярский С.В., Буренков А.Ф., Вавилов B.C., Винецкий B.JL, Геор-гобиани А.Н., Григорьева Г.М., Емцев В.В., Комаров Ф.Ф., Крейнин Л.Б., Кузнецов Н.В., Кумахов М.А., Лугаков П.Ф., Машовец Т.В., Соловьёв Г.Г., Холо-дарь Г.А., Фистуль В.И., Шмарцев Ю.В. и другие, а также зарубежные: Андерсен Г., Кинчин Г., Корбетт Ж., Линдхард Ж., Ларк-Горовитц К., Нелсон В., Пиз P.C., Уоткинс Г., Циглер Ж., Шарф М. и другие.
Радиационное дефектообразование традиционно рассматривается как причина деградации параметров кремния и приборов на его основе. С научной и практической точки зрения представляет интерес поиск положительных сторон в данном процессе: обнаружение новых свойств, обусловленных радиационными дефектами, создание материалов и приборов, использующих эти свойства.
Наиболее полно изучены свойства точечных дефектов и их комплексов. Более крупные образования - области разупорядочения с радиусом от 10 до 100 нм - исследованы не столь полно. Их можно рассматривать как вкрапления аморфной фазы. С этой точки зрения структура переменного состава с нано-размерными областями разупорядочения является материалом, обладающим новыми свойствами, перспективным для создания элементов наноэлектроники. Для практического использования таких структур необходим комплекс теоретических и экспериментальных исследований их физических свойств.
Моделирование процесса образования областей разупорядочения в кремнии при облучении потоком ионизирующих частиц дает новое знание о физических свойствах этих областей и условиях их формирования, позволяющее сократить объем ресурсоемких экспериментальных исследований. Таким обра-
лентные конфигурации. Они различаются положением связей между атомами кремния, окружающими пару фосфор-вакансия. В условиях термодинамического равновесия все три возможные конфигурации присутствуют в равных долях. В результате тепловой активации (60-150 К) возникает реконфигурация связей дефекта, которая протекает вдоль оси <111>. Энергия процесса составляет -0,06 эВ [117, 122]. При этом молекулярное перемещение не наблюдается, так как происходит переключение электронных связей и перемещение неспаренного электрона между тремя атомами Si. Изменение положения пары вакансия-фосфор возникает при более высоких температурах. При этом в ходе переориентации происходит перемещение дефекта в решетке кристалла [117]. Согласно работам [123, 124], энергия активации диффузии дефекта составляет ~ 0,93 эВ.
Е-центр - электрически активный дефект, эффективно влияющий на процессы переноса носителей заряда. Характерным для данных центров является то, что они наблюдаются в нейтральном зарядовом состоянии при положении уровня Ферми ниже Ес - 0,4 эВ. Дефект имеет акцепторный уровень, имеющий положение Ее = Ес - 0,43 эВ согласно ЭПР-исследованиям [117] и Ее = Ес-0,45 эВ согласно DLTS-исследованиям [125, 126]. Если уровень Ферми расположен выше приведенного значения, Е-центр заряжен отрицательно. Сечение захвата электронов на акцепторном уровне составляет an » 1 10-16 см2, а согласно работе [121] оценивается величиной: оп=110-16 см2. Сечение захвата дырок составляет ор - 1,1-10-13 см2 [113], что согласуется с величиной 1,1- 1СГ13 см2 указанной в работе [127]. Наличие донорного уровня Е-центра рассматривается в [128]. Экспериментальные измерения и численные расчёты указывают на существование уровня Е(0/+), который оценивается положением в запрещённой зоне Ее = Ev + 0,27 эВ. Сечение захвата дырок для Е(0/+) составляет ар = 510-16 см2.
Исследования термической устойчивости Е-центров обнаружили следующие особенности [123, 129, 130]: 1) энергия активации Еа для отжига комплексов увеличивается с возрастанием ковалентного радиуса примеси г; 2) Еа зависит от зарядового состояния Е-центров. Согласно работе [131], отжиг Е-центра