Invloed van röntgenbestraaling op de oppervlaktegeleiding van elastisch gespannen p-Si-kristallen

Samenvatting

In dit onderzoek worden veranderingen in de geleiding van bestraalde en niet-bestraalde p-Si-monokristallen onder invloed van elastische eenzijdige mechanische spanning onderzocht. Er is een analytische uitdrukking voorgesteld om de afhankelijkheid van de oppervlaktegeleiding als functie van mechanische spanning en röntgenbestraalingsdosis te beschrijven. Er werd aangetoond dat 4-hoekige nanopartikelen op het oppervlak van 'zonne-energie'-silicium de veranderingen in elektrogeleiding onder mechanische spanning beïnvloeden. Röntgenbestraaling veroorzaakt de generatie van puntdefecten in silicium, die de verplaatsing van dislocaties onderdrukken. Bovendien bleek de weerstand van vooraf bestraalde monsters van 'elektronisch' silicium slechts licht gevoelig te zijn voor de invloed van eenzijdige compressie bij een bepaalde vervormingssnelheid.

Achtergrond

Het wijdverspreide gebruik van halfgeleiderapparaten in moderne elektronische technologien vereist onderzoek naar nieuwe halfgeleidende materialen met hoge stabiliteit onder externe invloeden zoals röntgenbestraaling en mechanische vervorming. Tegenwoordig wordt silicium actief gebruikt in gevoelige detectoren en andere halfgeleidersensoren die in stralingsvelden werken.

De meeste studies richten zich op de impact van plastische vervorming op de geleiding van n-Si. Daarom blijft de invloed van elastische vervorming op de eigenschappen van p-Si-kristallen een belangrijk wetenschappelijk vraagstuk. Herverdeling van ladingsdragerconcentratie en onzuiverheden in vervormde kristallen wordt vaak gekenmerkt door de aanwezigheid van dislocaties, die effectieve getters zijn van defecten, vooral aan het kristaloppervlak. Het is bekend dat de opwekking van kristallelektronische subsystemen vergezeld gaat van overeenkomstige veranderingen in de mobiliteit van dislocaties. Deze opwekking kan het resultaat zijn van externe invloeden zoals straling en elektrostatische velden. Een kenmerk van dislocaties in siliciumkristallen is de aanwezigheid van puntdefecten (Cottrell-wolk) met een hoge concentratie rond dislocaties.

Het kristaloppervlak is het gevoeligst voor ioniserende straling. Daarom blijft het onderzoek naar straling-geïnduceerde processen in de oppervlaktelagen van siliciumkristallen relevant. Het oppervlak met afgescheiden Al-contacten is een effectieve getter voor structurele defecten. Onder het afgescheiden metaalfilm ontstaan mechanische spanningen door inconsistenties in roosterparameters van de film en de halfgeleider. Deze spanningen stimuleren de processen van defecten-gettering (onzuiverheidsatomen, interstitiële siliciumatomen en vacatures) in de contactlaag.

Methoden

Er werden p-type silicium-monokristallen gebruikt, gegroeid volgens de Czochralski-methode (ρ = 10–20 Ω·cm). Er worden twee typen onderscheiden: (1) silicium voor elektronica – de zogenaamde dislocatievrije (of elektronische) monokristallen op het oppervlak (111) waarvan de concentratie driehoekige etsgaten niet hoger is dan 10² cm⁻², en (2) 'zonne-energie'-monokristallen van silicium op het oppervlak (111) waarvan defecten in de vorm van 4-hoekige piramides werden ontdekt door een relatief hoge concentratie koolstof (≈5 × 10¹⁶ cm⁻³) en zuurstof (≈1,8 × 10¹⁸ cm⁻³) onzuiverheden. De 4-hoekige piramides zijn op dezelfde manier geordend. De grootte van de piramidebasis varieert van 10 nm tot 10 μm.

Experimentele monsters kregen afmetingen 4 × 3,7 × 7,6 mm na slippen en chemisch polijsten. Ohmische contacten in de vorm van twee stroken met een breedte van 1,5 mm aan de uiteinden van de monsteroppervlakken (111) werden gecreëerd door thermische verdamping van aluminium in vacuüm (10⁻⁴ Pa) bij een verwarmd monster van 593 K. De meting van elektrische geleiding werd uitgevoerd in een vacuümcryostaat bij een restgasdruk van 10⁻³ Pa tijdens toepassing van eenzijdige compressie op de uiteinden (richting [112̄]) met een kracht van 15 tot 40 MPa en een vervormingssnelheid van 8 of 32 μm/min. De monsters werden bestraald met een volledig spectrum van röntgenstraling (W-anode, 50 kV, 10 mA), aan beide kanten waarop aluminiumcontacten waren aangebracht. De afstand tussen de röntgenbron en kristallen was minimaal (1–2 mm). De geabsorbeerde dosis nam toe met 130 Gy per 30 min. Eerst werden de monsters bestraald, daarna werd de weerstand gemeten tijdens vervorming.

Resultaten en discussie

De onderzoeksresultaten over de verandering van mechanisch geïnduceerde geleiding langs de vervormingsrichting (ρ(σ)) van 'dislocatievrije' monsters van p-type geleiding onder invloed van eenzijdige spanning (σ) worden weergegeven in Fig. 2. De toename van de belasting van 0 tot 40 MPa (bij een vervormingssnelheid van 8 μm/min) duurt 45 min.

Tijdens de vervorming neemt de weerstand van dislocatievrije monsters iets toe. Bij niet-bestraalde kristallen had de verandering van vervormingssnelheid praktisch geen effect op het algemene beeld van de afhankelijkheden ρ(σ). Vergelijkbare afhankelijkheden werden verkregen voor bestraalde monsters (Fig. 3). Na röntgenbestraaling werd een toename van de weerstand waargenomen, maar de aard van de afhankelijkheid ρ(σ) was enigszins anders dan voor niet-bestraalde monsters.

Er kan worden gezien dat de weerstand praktisch onveranderd blijft (Fig. 3a) tijdens compressie met een snelheid van 8 μm/min door het effect van röntgenbestraaling. De grafieken van monsters blootgesteld aan 260 en 480 Gy hadden een vergelijkbaar uiterlijk. Eerder onderzoek toonde aan dat de weerstand evenredig toenem met de vierkantswortel van de geabsorbeerde dosis tijdens bestraling.

Een viervoudige toename van de compressiesnelheid (van 8 naar 32 μm/min) leidt tot veranderingen in de aard van de afhankelijkheid van de resistiviteit van de belasting (Fig. 3b). Er is een kleine (<0,2%) afname van de weerstand van bestraalde monsters tijdens compressie. Alle metingen van geleidingsveranderingen werden met een hoge nauwkeurigheid (±0,045%) uitgevoerd, waardoor kleine veranderingen in resistiviteit correct geanalyseerd konden worden.

De afhankelijkheid in Fig. 3 is verkregen 7 dagen na het meten van veranderingen in de longitudinale weerstand (D = 130 Gy) van dislocatievrije monsters bij een snelheid van 8 μm/min (Fig. 3a). In deze periode keerde de weerstand bijna terug naar zijn oorspronkelijke waarde, de waarde die waargenomen werd na bestraling en toepassing van mechanische spanning.

Vergelijkbare studies werden uitgevoerd voor experimentele monsters gebaseerd op 'zonne-energie'-silicium van p-type geleiding, kenmerkend voor 4-hoekige piramides op het oppervlak (111) (Fig. 4).

Allereerst werd vastgesteld dat de aard van de weerstandsverandering van 'zonne-energie'-silicium van p-Si-type in functie van de mechanische spanning onafhankelijk is van de compressiesnelheid. Dit kenmerk werd waargenomen bij zowel niet-bestraalde als bestraalde monsters. De afhankelijkheden van de longitudinale weerstand van de mechanische spanning veranderen met een relatief kleine waarde (<0,5%) en nemen iets af onder toenemende belasting (Fig. 4a).

Bestraaling van experimentele monsters met röntgenstralen (480 Gy) beïnvloedt de algemene aard van de verandering in longitudinale weerstand van 'zonne-energie'-silicium tijdens elastische vervorming nauwelijks (Fig. 4b). Net als bij elektronische monsters is de weerstand evenredig met de vierkantswortel van de geabsorbeerde dosis. Tijdens mechanische spanning neemt de resistiviteit met een zeer kleine waarde (±0,1%) af.

Eerder onderzoek toonde aan dat de dielektrische film SiO₂ positief geladen is. Hierdoor ontstaat in silicium een ruimteladingsoppervlaktelaag, verarmd aan gaten (met hoge weerstand) met een dikte w (Fig. 5). Hoe dichter bij de Si-SiO₂-interface, hoe minder gaten er zijn.

De concentratie gaten in de oppervlaktelaag van silicium en dus de geleiding veranderen bij verandering van het oppervlaktepotentiaal (φ_S). Overweeg een vlakke vierkante plaat (Fig. 6). Laat de stroom parallel aan het vlak van de plaat lopen in de richting van een van de randen.

Er wordt een dunne parallelle laag met dikte dy en dwarsdoorsnede dS op een bepaalde afstand (y) van het oppervlak genomen. Deze laag kan worden beschouwd als een homogene halfgeleider, wiens weerstand kan worden bepaald volgens formule (1) en (2). Aangezien de plaat vierkant is (l = a), is de geleiding van de laag gegeven door formule (3), waar σ = 1/ρ de elektrische geleiding is van de laag met dikte dy op afstand y van het oppervlak. Voor een p-type halfgeleider kan de geleiding worden geschreven als σ ≈ e p(y) μ_p. Dan volgt formule (4).

De totale oppervlaktegeleiding (λ) wordt verkregen door integratie van de laatste expressie van nul tot een dikte van enkele Debye-schermingslengtes, of door de breedte van de ruimteladingsregio w te beperken (formule 5). In het algemeen hangt de concentratie gaten in de verarmde oppervlaktelaag niet alleen af van de coördinaten (y) maar ook van de toegepaste mechanische spanning (σ_meh). Deze wordt bepaald door twee componenten: p(y, σ_meh) = p₁(y) − p₂(σ_meh), waar p₁(y) een component is die overeenkomt met een verandering in ladingsdragerconcentratie met de afstand van het halfgeleideroppervlak, en p₂(σ_meh) een component die aangeeft hoeveel de concentratie gaten wordt verminderd door hun opvang op dislocaties tijdens mechanische spanning. Bovendien is de mobiliteit van gaten geen constante waarde; deze hangt af van de mechanische spanning. Daarom kan de uitdrukking voor de totale oppervlaktegeleiding worden geschreven als formule (6).

De mechanisch geïnduceerde verandering in geleiding kan worden geschreven als formule (7), waar β₁ = ∫₀ʷ p₁(y) dy en β₂(σ_meh) = ∫₀ʷ p₂(σ_meh) dy = w·p₂(σ_meh).

Omdat p₁(y) en p₂(σ_meh) ook afhangen van het bestralingseffect, hangen de factoren β₁, β₂ en μ_p af van de dosis röntgenbestraaling. De formules voor oppervlaktegeleiding voor (λ(σ_meh, 0)) en na (λ(σ_meh, D)) bestraling worden gegeven in formules (8) en (9).

Als het monster een rechthoekige vorm heeft met lengte (l) en breedte (a), kan de eindformule voor de totale oppervlaktegeleiding worden geschreven als formule (10), waar β₁(D) en β₂(σ_meh, D) gedefinieerd zijn in formule (11).

De verandering in oppervlaktegeleiding van bestraalde p-Si-kristallen onder invloed van mechanische spanning wordt voornamelijk bepaald door de verandering van drie parameters: β₁, β₂ en μ_p.

Volgens eerdere studies gaat de invloed van röntgenbestraaling op elektronisch silicium gepaard met een lichte toename van de positieve lading in de dielektrische oppervlaktelaag van SiO₂. Hierdoor neemt de factor β₁ licht toe: β₁(D) > β₁(0). Voor 'zonne-energie'-silicium worden tegenovergestelde afhankelijkheden waargenomen: β₁(D) < β₁(0).

Wat de factor β₂ betreft, worden de veranderingen ervan voornamelijk bepaald door de verandering van p₂(σ_meh, D) onder stralingsinvloed. Deze veranderingen zijn veel substantiëler dan die van de parameter β₁. Röntgenbestraaling activeert de generatie van puntdefecten in silicium, die fungeren als stoppers voor dislocatiebeweging. Als gevolg daalt de factor β₂ na bestraling scherp (vermindert het aantal door dislocaties opgevangen gaten) voor beide typen experimentele p-Si-monsters: β₂(D) < β₂(0).

In niet-bestraalde kristallen van 'zonne-energie'-silicium spelen de bestaande defecten, welke overeenkomen met 4-hoekige etsgaten, de rol van stoppers voor dislocatiebeweging. Additionele door bestraling gegenereerde defecten spelen geen significante rol op de achtergrond van een sterke concentratie bestaande oppervlaktedefecten.

De mobiliteit van gaten neemt iets af tijdens bestraling door toename van de verstrooiing aan stralingsdefecten: μ_p(D) < μ_p(0). Door dit mechanisme kan de experimenteel bevestigde afname van de geleiding van bestraalde siliciummonsters worden verklaard. Een analyse van formules (8) en (9) bevestigt de toename van de weerstand onder toename van de geabsorbeerde dosis röntgenbestraaling, voornamelijk door vermindering van de mobiliteit (μ_p(D) < μ_p(0)) en de concentratie vrije ladingdragers – gaten (β₂(D) < β₂(0)).

Als we de vergelijkingsgegevens bij een vaste dosis overwegen, kunnen we de volgende conclusies trekken, die de bovengenoemde experimentele afhankelijkheden van de weerstand van mechanische spanning bevestigen:

1. De weerstand van niet-bestraalde monsters van elektronisch silicium neemt toe onder compressie (Fig. 2). Dit treedt op door een significante groei van factor β₂ onder invloed van mechanische spanning. Tijdens compressie overstijgt de verandering (groei) van factor β₂ de verandering (toename) in mobiliteit van gaten onder toename van mechanische spanning. Wat de parameter β₁ betreft, is de waarde ervan onafhankelijk van σ_meh. De toename van weerstand (compressie) en afname (decompressie) van de belasting voor niet-bestraalde kristallen gebaseerd op elektronisch silicium kan worden verklaard door de verplaatsing van dislocaties, die de hoofddragers opvangen. In het elastisch vervormde kristalrooster ontstaan krachten die beweging van defecten, coagulatie van clusters en condensatie van clusters op dislocaties veroorzaken. Defecten worden centra van opvang van hoofddragers tijdens coagulatie tot grotere clusters als microporen, clusters van interstitieel silicium en onzuiverheden. De accumulatie van defecten in de oppervlaktelaag van silicium neigt de geleiding te verminderen. Dit wordt weergegeven door de overeenkomstige groei van factor β₂ in de formule voor oppervlaktegeleiding.

2. De weerstand van bestraalde monsters van elektronisch silicium verandert nauwelijks onder compressie (Fig. 3a). Dit wordt veroorzaakt door de reductie van de verandering (groei) van factor β₂, door belemmerde dislocatiebeweging. Met andere woorden, wederzijds concurrerende veranderingen van parameters β₂ en μ_p zijn vergelijkbaar tijdens compressie van bestraalde monsters van elektronisch silicium. De weerstandsvermindering van elektronische siliciumkristallen in combinatie met toename van spanning (Fig. 3b) treedt op door de afname van de longitudinale effectieve massa van zware gaten en een overeenkomstige toename van hun mobiliteit onder compressie. Dit wordt weergegeven door de overeenkomstige toename van μ_p in de formule voor oppervlaktegeleiding.

3. De weerstand van bestraalde en niet-bestraalde monsters van zonne-energie-silicium neemt iets af onder compressie (Fig. 4). Het dislocatiebewegingsproces is voor deze experimentele monsters zeer moeilijk. Bovendien dragen additionele defecten die van het midden naar het oppervlak van silicium bewegen, een onbetekenende bijdrage aan de stroomtransport op de achtergrond van een hoge concentratie bestaande oppervlaktedefecten in kristallen van zonne-energie-silicium. De werking van straling verhoogt additioneel de concentratie oppervlaktedefecten in kristallen van zonne-energie-silicium. Dus, wederzijds concurrerende veranderingen van parameters β₂ en μ_p zijn vergelijkbaar onder compressie van bestraalde en niet-bestraalde monsters van zonne-energie-silicium. Het effect van straling (Fig. 4b) verhoogt additioneel de concentratie oppervlaktedefecten in kristallen van zonne-energie-silicium. Daarom dragen additionele defecten, die door gettering bewegen, een kleinere bijdrage aan de stroomtransport dan bij niet-bestraalde kristallen.

Conclusies

Twee hoofdfactoren die de weerstand van p-Si-kristallen beïnvloeden, moeten worden overwogen tijdens mechanische belasting. De eerste factor is een toename van de weerstand met toename van de belasting (compressie) en een afname van de weerstand met afname van de belasting (ontspanning) door het proces van dislocatiebeweging, dat de hoofddragers opvangt. De tweede factor is de afname van de weerstand van siliciumkristallen met toename van de belasting door de afname van de effectieve massa van gaten en een overeenkomstige toename van hun mobiliteit.

Röntgenbestraaling veroorzaakt de generatie van vacatures en interstitiële atomen in silicium, die fungeren als stoppers voor de beweging van dislocaties. Door de toename in verstrooiing van stralingsdefecten neemt de mobiliteit van gaten iets af tijdens röntgenbestraaling. In niet-bestraalde kristallen van zonne-energie-silicium spelen de bestaande defecten de rol van stoppers voor de beweging van dislocaties.

Vooraf bestraalde experimentele p-Si-kristallen (elektronisch en 'zonne-energie'-gebaseerd silicium) hebben de eigenschap om hun resistiviteit iets te veranderen (±0,2%) onder invloed van eenzijdige compressie (snelheid van spanningstoevoer 8 μm/min), binnen de elastische vervorming langs de richting [112̄].

In vooraf bestraalde elektronische p-Si-monsters hangt de afhankelijkheid van de weerstand van eenzijdige mechanische spanning significant af van de compressiesnelheid. Bij een lage snelheid van spanningstoevoer (8 μm/min) neemt de weerstand toe met toename van de mechanische spanning; bij hoge snelheden (32 μm/min) neemt deze af. Voor kristallen gebaseerd op zonne-energie p-type silicium is de afhankelijkheid van de weerstand onder mechanische belasting onafhankelijk van de compressiesnelheid.