Изучение методом углового распределения аннигиляционных фотонов (УРАФ) пластин кремния

c различными методами обработки поверхности

В.И. Графутин,

О.В. Илюхина,

Г.Г. Мясищева,

Е.П. Прокопьев,

Ю.В. Фунтиков,

ГНЦ РФ ИТЭФ, epprokopiev@mail.ru, prokopep@front.ru, г. Москва,

С.П. Тимошенков,

В.В. Калугин,

МИЭТ, spt@chem.miee.ru, г. Москва, Зеленоград

Исследовались (см. таблицу) монокристаллические пластины кремния р-типа с ориентацией <111> с различными методами обработки поверхности (шлифованные, полированные и зеркальные), толщиной (340-500) мкм, легированные бором и облученные протонами с энергией 3 МэВ и флюенсом (5,15·10¹⁵ - 4,3·10¹⁶) см^-2. Экспериментальные спектры УРАФ необлученных и облученных пластин кремния разлагались на параболическую I_p и гауссовскую I_g компоненты. Оказалось, что значения I_р и I_g для необлученных и облученных образцов довольно значительно отличаются. В то же время эти значения I_р и I_g одинаковых образцов для одних и тех же условий облучения близки друг другу. В бездефектных кристаллах кремния аннигиляция позитронов, характеризуемая параболической компонентой I_p, может быть объяснена аннигиляцией позитронов из уилеровских состояний типа () [1] в валентной зоне кремния. В свою очередь гауссовская компонента I_g – обусловлена аннигиляцией позитронов из уилеровских состояний типа () в области остовов положительных ионов кремния. Показано, что анализ этих компонент, в принципе, позволяет определить среднюю концентрацию позитрончувствительных мест (дефектов) в дефектной области облученного протонами кремния, сопоставимой по протяженности со средним пробегом позитронов.

Действительно, разность между I_g(облуч), то есть облученными пластинами кремния, и I_g (необлуч) (исходной необлученной пластиной), согласно формуле [2], может быть записана в виде

ΔI_g = I_g(облуч) - I_g(необлуч) = ~ , (1)

то есть среднее значение скорости захвата позитронов составляет величину

~ ΔI_g/, (2)

где с – короткое время жизни позитронов в бездефектных кристаллах кремния. В свою очередь величина определяется известными выражениями [1,2]

. (2)

Здесь - среднее значение сечения захвата дефектами объёмных позитронных состояний; - скорость термализованных объемных позитронных состояний Уилера; - средняя концентрация дефектов в области кристалла, чувствительных к термализованным объёмным позитронным состояниям Уилера, - коэффициент диффузии объемных позитронных состояний Уилера. Из приведенных выражений определялись величины и с известными параметрами и .

Значения величин приведены в таблице. Видим, что средние концентрации радиационных дефектов в протонированных пластинах кремния в приповерхностных слоях с определенными значениями получились заключенными в пределах см^-3. Наблюдаются также значительные вариации величин в зависимости от условий и параметров облучения протонами и от степени обработки поверхности. Приведенные результаты измерений методом УРАФ в протонированных пластин кремния хорошо согласуются с данными более ранних работ для образцов кремния n-типа [2]. На основании вышеизложенного можно полагать, что в исследованных нами пластинах кремния, облученных протонами, обнаруживаются прежде всего радиационные дефекты типа вакансий V (моно-, би-, тетра- и гексавакансии и т.д.) и междоузельных атомов I и их скоплений, то есть разупорядоченных областей (РО)V. и (РО)I, формирующие поры и дислокационные петли соответственно [1,2]. Именно эти дефекты являются эффективными центрами захвата позитронов.

Таблица

Параметры исследуемых образцов Si p-типа, особенности их получения и характеристики спектров УРАФ

№	Характеристика Образца	Ig=Sg/Ssum	Ip=Sp/Ssum	см^-3
164(1)	Si-монокристаллический, зеркальный, р-тип, <111>, КДБ-10, h=340 мкм.	0,335±0,031	0,665±0,035
153(4)	Si-монокристаллический, полированный, р-тип, <111>, КДБ-10/20, h =490 мкм, r=9,8-10,0 ом×см	0,330±0,029	0,670±0.034	0,13
152(6)	Si-монокристаллический, шлифованный, р-тип, <111>, КДБ-10, h =500мкм, r=8,6 ом×см.	0,305±0,029	0,695±0,035	0,91
Si 10	Si-монокристаллический, зеркальный, n - тип <100>, КЭФ - 4,5, h = 455 мкм	0,256 ± 0,040	0,744± 0,049	2,4

Примечание к таблице: h – толщина пластин кремния, <111> и <100> - их кристаллографические ориентации, КЭФ – марка пластин кремния, легированных фосфором с удельными сопротивлениями 4,5 ом·см, КДБ-10 и КДБ-10/20 – марки пластин кремния, легированных бором, Е и Ф – энергия и флюенс протонов, соответственно, Ig = Sg/ S_sum – интенсивность гауссовской компоненты, а I_P = S_p/S_sum- интенсивность параболической компоненты в спектрах УРАФ (S_sum-суммарная площадь экспериментального спектра УРАФ, а Sg и S_p – соответственно площади гауссовской и параболической компонент в этом спектре).

Литература

1. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Мясищева Г.Г., Фунтиков Ю.В.. Позитроника ионных кристаллов, полупроводников и металлов Москва.: Ред.-изд. отдел МИЭТ, 1999. 176 c. (см. также http://www.prokopep.narod.ru).

2. V. I. Grafutin, G. G. Myasishcheva, E. P. Prokop’ev, S. P. Timoshenkov, and Yu. V. Funtikov. The Study of Imperfections in Solids by Positronic Annihilation Spectroscopy. Report on 7-th Moscow International Moscow School of Physics (32-th ITEP Winter School of Physics). Nuclear Physics, Physics and Chemistry of Condensed Matter. Hotel «Otradnoe», Moscow region, Februari 16 - 26, 2004. Proceedings of the 7^th Moscw International ITEP School of Physics Editors: A.L.Suvorov et al. “Академпринт», 2004. 450 p.