Modification de la conductivité de surface des cristaux de p-Si déformés élastiquement irradiés par des rayons X

Contexte

Une utilisation généralisée des dispositifs semi-conducteurs dans le domaine des technologies électroniques modernes nécessite l'étude de nouveaux matériaux semi-conducteurs qui possèdent une stabilité élevée sous l'influence externe telle que l'irradiation aux rayons X et la déformation mécanique. De nos jours, le silicium est activement utilisé dans des détecteurs hautement sensibles et d'autres capteurs à semi-conducteurs fonctionnant dans les champs de rayonnement [1].

La plupart des articles sont consacrés à l'impact de la déformation plastique sur la conductivité du n-Si [2, 3]. C'est pourquoi l'impact de la déformation élastique sur les propriétés des cristaux de p-Si est toujours considéré comme une tâche scientifique importante. La redistribution de la concentration en porteurs et des impuretés dans les cristaux déformés est souvent caractérisée par la présence de dislocations qui sont des getters efficaces de défauts, notamment à la surface du cristal [4, 5]. Il est connu [3, 6] que l'excitation des sous-systèmes électroniques cristallins s'accompagne également des changements correspondants de la mobilité des dislocations. L'excitation des sous-systèmes électroniques peut résulter d'une influence externe, telle qu'un rayonnement et un champ électrostatique. Une caractéristique des dislocations dans les cristaux de silicium est la présence de défauts ponctuels (nuage de Cottrell) avec une forte concentration autour des dislocations.

La surface des cristaux est la plus sensible aux rayonnements ionisants. C'est pourquoi l'étude des processus radio-induits sur les couches superficielles des cristaux de silicium est toujours considérée comme pertinente. La surface avec les contacts Al déposés est un getter efficace pour les défauts structuraux [5,6,7]. Sous le film métallique déposé, les contraintes mécaniques apparaissent en raison d'incohérences dans les paramètres de maille du film et du semi-conducteur [5, 7]. Ces contraintes stimulent les processus de piégeage des défauts (atomes d'impuretés, atomes de silicium interstitiel et lacunes) dans la couche de contact.

Méthodes

Monocristaux de silicium de conductivité de type p, développés par la méthode de Czochralski (ρ = 10–20 Ω cm), ont été utilisées dans le document de recherche. Ces monocristaux sont de deux types :(1) le silicium pour l'électronique - les monocristaux dits sans dislocation (ou électroniques) en surface (111) dont la concentration en piqûres triangulaires n'excède pas 10 ² cm ⁻² (Fig. 1a et 2), et (2) des monocristaux « solaires » de silicium à la surface (111) dont les défauts en forme de pyramides 4-angulaires (Fig. 1b) ont été découverts en raison d'un forte concentration du carbone de fond (≈5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ) et de l'oxygène (≈1.8 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ) impuretés. Les pyramides à quatre angles sont situées de la même manière. La taille de la base de la pyramide est de 10 nm à 10 μm.

L'aspect de la surface des échantillons expérimentaux :a apparition de piqûres de dislocation à la surface du cristal p-Si obtenu dans le domaine du microscope à force atomique et b apparence de la surface submicroscopique (111) des cristaux solaires

Dépendance de la résistance longitudinale de l'échantillon primaire sans luxation pendant la déformation élastique avec une vitesse de déformation de 8 μm/min

Il a été montré [8, 9] que dans la formation d'amas, auxquels correspondent des trous de gravure pyramidaux à 4 angles peuvent participer des couches d'oxyde de silicium, des défauts ponctuels et des couches avec différents états structurels de silicium, en particulier de silicium alpha.

Des échantillons expérimentaux ont obtenu des dimensions 4 × 3,7 × 7,6 mm après ponçage et polissage chimique. Des contacts ohmiques sous la forme de deux bandes d'une largeur de 1,5 mm aux extrémités des surfaces d'échantillon (111) ont été créés par évaporation thermique de l'aluminium sous vide (10 ⁻⁴ Pa) à un échantillon chauffé à 593 K. La mesure de la conductivité électrique a été réalisée dans un cryostat sous vide à une pression de gaz résiduelle de 10 ⁻³ Pa dans l'application d'une compression uniaxiale aux extrémités (vers [\( 11\overline{2} \)]) avec une puissance de 15 à 40 MPa et une vitesse de déformation de 8 ou 32 μm/min. Les échantillons ont été irradiés avec une gamme complète de rayonnement X (W -anode, 50 kV, 10 mA), des deux côtés, sur laquelle des contacts en aluminium ont été revêtus. La distance entre la source de rayons X et les cristaux était minimale (1 à 2 mm). Il a été constaté que la dose absorbée augmentait de 130 Gy toutes les 30 min. Dans le travail, nous avons d'abord irradié les échantillons expérimentaux et, ensuite, nous avons mesuré la résistance en cours de déformation.

Résultats et discussion

Le résultat de la recherche sur le changement de conductivité mécanique induit le long de la direction de déformation (ρ (σ )) d'échantillons « sans dislocation » de conductivité de type p sous l'influence d'une contrainte uniaxiale (σ ) est illustré à la Fig. 2. L'augmentation de la charge de 0 à 40 MPa (au taux de déformation de 8 μm/min) dure 45 min.

Au cours du processus de déformation, la résistance des échantillons sans dislocation augmente légèrement. Il est à noter que dans le cas des cristaux non irradiés, le changement de vitesse de déformation n'a pratiquement eu aucun effet sur la vue générale des dépendances ρ (σ ) [10, 11]. Des dépendances similaires ont été obtenues pour les échantillons irradiés (Fig. 3). Une augmentation de la résistance a été observée après l'action de l'irradiation X. Cependant, la nature de la dépendance ρ (σ ) s'est avéré quelque peu différent de celui des échantillons non irradiés.

Dépendance de la résistance longitudinale des irradiés (D = 130 Gy) échantillon de silicium sans dislocation pendant la déformation élastique avec une résistance à la compression croissante à une vitesse de 8 μm/min (a ) et 32 μm/min (b )

On peut voir que la résistance reste pratiquement immuable (Fig. 3a) lors de la compression à une vitesse de 8 μm/min en raison de l'effet de l'irradiation X. Les graphiques de dépendances des échantillons exposés à 260 et 480 Gy avaient une apparence similaire. Il a été montré dans des études précédentes [11] que la résistance augmentait proportionnellement à la racine carrée de la dose absorbée pendant le processus d'irradiation.

Une multiplication par quatre du taux de compression (de 8 à 32 μm/min) entraîne des changements dans la nature de la dépendance de la résistivité à la charge (Fig. 3b). Il y a une petite (<0,2%) diminution de la résistance des échantillons irradiés dans le processus de compression. Il convient de noter que toutes les mesures sur les changements de conductivité ont été effectuées avec un degré élevé de précision (± 0,045 %) de sorte qu'il était possible d'analyser correctement les petits changements de résistivité dans l'expérience.

Il convient de noter que la dépendance, illustrée à la Fig. 3, a été reçue 7 jours après la mesure des changements de la résistance longitudinale (D = 130 Gy) d'échantillons sans luxation à une vitesse de 8 μm/min (Fig. 3a). Pendant le laps de temps donné, la résistance est presque revenue à sa valeur d'origine, c'est-à-dire la valeur de résistance, qui a été observée après l'irradiation et l'application de contraintes mécaniques.

Des études similaires sur la mesure de la dépendance de la résistance à l'action de la compression élastique et après exposition au rayonnement ont également été menées (Fig. 4) pour des échantillons expérimentaux à base de « silicium solaire » de conductivité de type p, auxquels sont inhérentes des pyramides à 4 angles sur la surface (111).

Dépendance de la résistance longitudinale du silicium solaire lors de la déformation élastique avec une résistance à la compression croissante :a D = 0 Gy, vitesse de compression 32 μm/min ; b D = 130 Gy vitesse de compression 8 μm/min

Tout d'abord, il a été constaté que la nature du changement de résistance du silicium « solaire » de type p-Si sur la taille de la contrainte mécanique est indépendante de la vitesse de compression. Une caractéristique similaire a été observée dans les échantillons non irradiés et irradiés. Les dépendances de la résistance longitudinale aux contraintes mécaniques changent d'une valeur relativement faible (<0,5 %), et elle diminue légèrement sous l'augmentation de la charge (Fig. 4a).

L'irradiation d'échantillons expérimentaux avec des rayons X (480 Gy) n'affecte pratiquement pas le caractère général de l'évolution de la résistance longitudinale du silicium « solaire » lors de la déformation élastique (Fig. 4b). Comme pour les échantillons électroniques, la résistance est proportionnelle à la racine carrée de la dose absorbée [11]. Lors de la sollicitation mécanique, la résistivité diminue d'une très faible valeur (±0,1%).

Comme cela a été montré dans nos études précédentes [12, 13], le film diélectrique SiO₂ a une charge positive. Par conséquent, la couche de surface de charge d'espace appauvrie en trous (à haute résistance) et avec une épaisseur w (Fig. 5) est créé en silicium. Plus le Si-SiO₂ est proche à l'interface, moins il y a de trous.

Distorsion des bandes d'énergie dans le conducteur de type p sous charge positive fournie à l'interface semi-conducteur-isolant

La concentration de trous dans la couche superficielle de silicium et par conséquent sa conductivité change en cas de changement de potentiel de surface (φ _S ). Considérons une plaque carrée plane (Fig. 6). Laissez le courant circuler parallèlement au plan de la plaque en direction d'un de ses bords.

Calculs de conductivité

Il a été pris une fine couche parallèle d'épaisseur dy et section transversale dS [14] à une certaine distance (y ) de la surface. Cette couche peut être considérée comme un semi-conducteur homogène dont la résistance peut être déterminée selon la formule suivante :

Puisque la plaque est carrée (l = un ), la conductivité de la couche est

où \( \sigma =\frac{1}{\rho} \) est la conductivité électrique de la couche avec dy épaisseur à y distance de la surface. Pour un semi-conducteur de type p, la conductivité peut être écrite sous la forme \( \sigma \approx e p(y){\mu}_p \). Ensuite, nous obtenons

Trouvons la conductivité surfacique totale (λ ). Vous devez intégrer la dernière expression dans la plage de zéro à une épaisseur de plusieurs écrans Debye durables, ou, par exemple, restreindre la largeur de la région de charge d'espace w :

En général, la concentration des trous dans la couche superficielle appauvrie ne dépend pas seulement des coordonnées (y ) mais aussi sur la contrainte mécanique appliquée (σ _meh ). Il est déterminé par deux éléments :p (y , σ _meh ) = p ₁ (y ) − p ₂ (σ _meh ), où p ₁ (y ) est un composant qui correspond à un changement de concentration en porteurs avec le changement de distance par rapport à la surface du semi-conducteur et p ₂ (σ _meh ) est une composante qui montre de combien la concentration de trous est réduite en raison de leur capture aux dislocations lors de la sollicitation mécanique. De plus, la mobilité des trous n'est pas une valeur constante. Cela dépend des contraintes mécaniques. Par conséquent, l'expression de la conductivité de surface totale peut être écrite sous la forme suivante :

Le changement de conductivité induit mécaniquement peut être écrit comme suit :

où \( {\beta}_1={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_1(y) dy;\kern1em {\beta}_2\left({\sigma }_{meh}\right)={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_2\left({\sigma}_{meh}\right) dy}}={p}_2\left({\sigma}_{meh}\right){\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }} dy=} w\cdot {p}_2\left( {\sigma}_{meh}\right) \).

Il est à noter que depuis p ₁ (y ) et p ₂ (σ _meh ) dépendent également de l'effet d'irradiation, les facteurs β ₁ , β ₂ , et μ _p dépendent de la dose d'irradiation X. Par conséquent, la formule de la conductivité de surface avant (λ (σ _meh ,0 )) et après (λ (σ _meh ,D )) l'irradiation peut s'écrire comme suit :

Si l'échantillon a une forme rectangulaire avec une longueur (l ) et la largeur (a ), nous pouvons écrire la formule finale pour la conductivité de surface totale comme suit :

où

Le changement de conductivité de surface des cristaux de p-Si irradiés sous l'influence d'une contrainte mécanique est principalement déterminé par le changement de trois paramètres :β ₁ , β ₂ , et μ _p .

Selon nos études précédentes, [10,11,12,13], l'effet de l'exposition aux rayons X sur le silicium électronique s'accompagne d'une légère augmentation de charge positive dans la couche superficielle diélectrique de SiO₂ . En conséquence, le facteur β ₁ :β ₁ (D ) > β ₁ (0 ) augmente légèrement. Pour le silicium « solaire », on observe des dépendances opposées :β ₁ (D ) < β ₁ (0 ).

Concernant le facteur β ₂ , ses changements sont principalement déterminés par le changement de p ₂ (σ _meh , D ) sous l'effet du rayonnement. Ces changements sont beaucoup plus substantiels par rapport au changement du paramètre β ₁ . L'irradiation X déclenche la génération de défauts ponctuels dans le silicium, qui agissent comme des arrêts pour le mouvement de dislocation. En conséquence, après l'exposition aux rayonnements, le facteur β ₂ pour ces échantillons diminue fortement (réduit le nombre de trous piégés par dislocation) pour les deux types d'échantillons expérimentaux p-Si :β ₂ (D ) < β ₂ (0 ).

Dans les cristaux de silicium "solaire" non irradiés, les défauts existants, auxquels correspondent des piqûres pyramidales de 4 angles, jouent le rôle de stoppeurs pour le mouvement de dislocation. Les défauts supplémentaires générés par l'irradiation n'ont pas joué un rôle significatif dans le contexte d'une forte concentration de défauts de surface existants.

La mobilité des trous diminue légèrement lors de l'exposition au rayonnement en raison de l'augmentation de la diffusion au niveau des défauts de rayonnement :μ _p (D ) < μ _p (0 ). Par ce mécanisme peut s'expliquer la diminution confirmée expérimentalement de la conductivité des échantillons de silicium irradiés. Ainsi, une analyse des formules (8) et (9) confirme la croissance de la résistance sous l'augmentation de la valeur de la dose absorbée d'irradiation X principalement en diminuant la mobilité (μ _p (D ) < μ _p (0 )) et la concentration des porteurs de gratuité — trous (β ₂ (D ) < β ₂ (0 )).

Si nous considérons les données de l'équation à une dose fixe, nous pouvons tirer les conclusions suivantes, qui confirment les dépendances expérimentales données ci-dessus de la résistance aux contraintes mécaniques :

1. 1.

   La résistance des échantillons non irradiés de silicium électronique augmente sous compression (Fig. 2). Cela se produit en raison de la croissance significative du facteur β ₂ sous l'action de contraintes mécaniques. Pendant la compression, le changement (croissance) du facteur β ₂ dépasse de manière significative le changement (augmentation) de la mobilité des trous sous l'augmentation de la contrainte mécanique. Quant au paramètre β ₁ , sa valeur ne dépend pas de σ _meh .

   Ainsi, dans notre cas, l'augmentation de la résistance (compression) et la diminution (décompression) de la charge pour les cristaux non irradiés à base de silicium électronique peuvent s'expliquer par le mouvement des dislocations, qui s'emparent des principaux porteurs. Les forces qui provoquent le mouvement des défauts, la coagulation des amas et la condensation des amas sur les dislocations [15] apparaissent dans le réseau cristallin déformé élastiquement. Les défauts deviennent des centres de capture des principaux porteurs tout en se coagulant en amas plus grands sous forme de micropores, d'amas de silicium entre les nœuds et d'impuretés. L'accumulation de défauts dans la couche superficielle de silicium tend à réduire sa conductivité. Il est affiché par le facteur de croissance correspondant β ₂ dans la formule de la conductivité de surface.

2. 2.

   La résistance des échantillons irradiés de silicium électronique change légèrement sous compression (Fig. 3a). Ceci est causé par la réduction du changement (croissance) du facteur β ₂ , en raison d'un mouvement de luxation entravé. En d'autres termes, des changements de paramètres mutuellement concurrents β ₂ et μ _p sont proportionnées à la compression d'échantillons irradiés de silicium électronique.

   La réduction de la résistance des cristaux de silicium électroniques en combinaison avec l'augmentation de la contrainte (Fig. 3b) se produit en raison de la diminution de la masse effective longitudinale des trous lourds [16, 17] et d'une augmentation correspondante de leur mobilité sous compression. Ceci est affiché par l'augmentation de mobilité correspondante μ _p dans la formule de la conductivité de surface.

3. 3.

   La résistance des échantillons de silicium solaire irradiés et non irradiés diminue légèrement sous compression (Fig. 4). Le processus de mouvement de dislocation est très difficile pour ces échantillons expérimentaux. De plus, des défauts supplémentaires qui se déplacent du milieu vers la surface du silicium apportent une contribution non essentielle au transport du courant sur fond de forte concentration de défauts de surface existants dans les cristaux de silicium solaire. L'action du rayonnement augmente en outre la concentration des défauts de surface dans les cristaux de silicium solaire. Ainsi, des changements de paramètres mutuellement concurrents β ₂ et μ _p sont proportionnées à la compression d'échantillons irradiés et non irradiés de silicium solaire.

   L'effet du rayonnement (Fig. 4b) augmente en outre la concentration des défauts de surface dans les cristaux de silicium solaire. Par conséquent, des défauts supplémentaires, qui se déplacent en raison du getter, contribuent moins au transport du courant que pour les cristaux non irradiés.

Conclusions

Deux facteurs principaux qui affectent la résistance du cristal p-Si doivent être pris en compte pendant la charge mécanique. Le premier facteur est une augmentation de la résistance avec une augmentation de la charge (compression) et une diminution de la résistance avec une diminution de la charge (décrochage) en raison du processus de mouvement des luxations, qui s'empare des principaux porteurs. Le deuxième facteur est la diminution de la résistance des cristaux de silicium avec une augmentation de la charge due à la diminution de la masse effective des trous et une augmentation correspondante de leur mobilité.

L'irradiation aux rayons X provoque la génération de lacunes et d'atomes interstitiels dans le silicium, qui agissent comme des bouchons pour le mouvement des dislocations. En raison de l'augmentation de la diffusion des défauts de rayonnement, la mobilité des trous diminue légèrement pendant l'irradiation aux rayons X. Dans les cristaux de silicium solaire non irradiés, les défauts existants jouent le rôle de bouchons pour le mouvement des dislocations.

Les cristaux de p-Si expérimentaux pré-irradiés (silicium électronique et « à base solaire ») ont la propriété de modifier légèrement sa résistivité (±0,2 %) sous l'influence de la compression uniaxiale (vitesse d'alimentation des contraintes 8 μ/min), dans le déformation élastique le long du cours d'eau [\( 11\overline{2} \)].

Dans les échantillons électroniques de p-Si pré-irradiés, la dépendance de la résistance à la contrainte mécanique uniaxiale dépend de manière significative du taux de compression. À une faible vitesse d'apport de contrainte (8 μm/min), la résistance augmente avec l'augmentation de la contrainte mécanique ; à haute vitesse (32 μm/min), diminue. Pour les cristaux à base de silicium solaire de type p, la dépendance de la résistance sous charge mécanique est indépendante du taux de compression.

Abréviations

ρ (σ ):

Le changement de conductivité mécanique induit le long de la direction de déformation