Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки

Abstract

Досліджено кристали n-кремнію, леговані домішкою фосфору як традиційним металургійним способом (у процесі вирощування через розплав), так і методом ядерної трансмутації (перетворення ізотопів кремнію у процесі захоплення ними теплових нейтронів). Принципова відмінність трансмутаційного легування від металургійного способу легування полягає в тому, що легувальні домішки не вводяться у вихідний матеріал ззовні, а утворюються в процесі опромінення безпосередньо з атомів матеріалу, який легують. З метою відпалу радіаційних дефектів та активації атомів фосфору-31, які в об'ємі кремнію виявляють донорні властивості тільки у вузлах ґратки, трансмутаційно легований кремній попередньо піддавали технологічному відпалу за температури 850 °С протягом 2 год, а вже потім — термічним обробкам з подальшим охолодженням із різними швидкостями. Виявлено вплив як тривалості термічного відпалу, так і швидкості охолодження від температури відпалу до кімнатної на зміну структури й електрофізичних характеристик кристалів n-Si 〈P 〉, легованих через розплав і методом ядерної трансмутації. Виявлено появу дислокацій у трансмутаційно легованих кристалах Si після високотемпературного відпалу протягом 2 год і подальшого швидкого охолодження. Встановлено, що високотемпературний відпал протягом 72 год зразків Si, незалежно від способу легування домішкою фосфору, сприяє генерації глибоких донорних центрів, як при повільному, так і при швидкому охолодженні, й істотно знижує концентрацію носіїв заряду.

Crystals of n-silicon doped with an impurity of phosphorus are studied both by the traditional metallur gical method (in the process of growth through a melt) and the nuclear transmutation method (conversion of silicon isotopes in the process of thermal neutron capture by them). The principal difference of the transmutation doping from the metallurgical doping method is that dopants are not introduced into the initial material from the outside, but are formed during the irradiation process directly from the atoms of the doped material. In order to anneal the radiation defects and activate the phosphorus-31 atoms, which exhibit donor pro perties only at lattice sites in the bulk of silicon, the transmutation-doped silicon was preliminarily subjected to the technological annealing at a temperature of 850 °С for 2 h, and then it was subjected to thermal treatments followed by the cooling with different rates. The effect of both the duration of a thermal annealing and the cooling rate from the annealing temperature to room one on the changes in the structure and electrophysical characteristics of n-Si 〈P〉 crystals doped through the melt and by the nuclear transmutation method is revealed. The appearance of dislocations in transmutationdoped Si crystals after the high-temperature annealing for 2 h and a subsequent rapid cooling is found. It is established that the high-temperature annealing for 72 h of Si samples, regardless of the method of phosphorus doping, contributes to the generation of deep donor centers, both during the slow and fast coolings, and significantly reduces the charge carrier concentration.

Исследованы кристаллы n-кремния, легированные примесью фосфора как традиционным металлургическим способом (в процессе выращивания через расплав), так и методом ядерной трансмутации (превращение изотопов кремния в процессе захвата ими тепловых нейтронов). Принципиальное отличие трансмутационного легирования от металлургического способа легирования заключается в том, что легирующие примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов материала, который легируют. С целью отжига радиационных дефектов и активации атомов фосфора-31, которые в объеме кремния проявляют донорные свойства только в узлах решетки, трансмутационно легированный кремний предварительно подвергали технологическому отжигу при температуре 850 °С в течение 2 ч, а уже потом — термическим обработкам с последующим охлаждением с различными скоростями. Выявлено влияние как длительности термического отжига, так и скорости охлаждения от температуры отжига до комнатной на изменение структуры и электрофизических характеристик кристаллов n-Si 〈P〉, легированных через расплав и методом ядерной трансмутации. Обнаружено появление дислокаций в трансмутационно легированных кристаллах Si после высокотемпературного отжига в течение 2 ч и последующего быстрого охлаждения. Установлено, что высокотемпературный отжиг в течение 72 ч образцов Si, независимо от способа легирования примесью фосфора, способствует генерации глубоких донорных центров, как при медленном, так и при быстром охлаждении, и существенно снижает концентрацию носителей заряда.