УДК 621. 3.049.7

В.Н. Котов, канд. техн. наук, В.Г. Клиндухов, вед. технолог, И.И. Черепахин, аспирант,
НИИ МВС ТРТУ (г. Таганрог)

МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРЕМНИЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Рассмотрены результаты исследований структуры дислокационного спектра пластически деформированного кремния. Показана возможность и целесообразность применения электро-импульсной обработки для модификации структуры и оптических свойств полупроводниковых материалов. Представлены экспериментальные результаты, свидетельствующие о смещении края фундаментальной полосы поглощения кремния в длинноволновую сторону в результате электроимпульсной обработки. Предложены возможные области практического применения пластически деформированного кремния.

Разработка малогабаритных простых в производстве и эксплуатации сенсоров с техническими характеристиками, отвечающими жестким требованиям современных систем управления и автоматизации, в последние годы вошла в число важнейших проблем, которые решаются средствами микроэлектроники и полупроводниковой технологии. Здесь наметились и развиваются два основных пути.

Первый состоит в совершенствовании и модернизации на основе новейших технологических методов и средств многих широко известных, но практически исчерпавших свои возможности принципов (тензо- и пьезоэффектов, эффекта Холла, ионоселективной чувствительности МДП-структур и пр.).

Второй путь развития микроэлектронных сенсоров - использование новых или ранее неиспользовавшихся явлений и эффектов в полупроводниках и полупроводниковых структурах, по своим потенциальным возможностям превосходящих известные и применяемые принципы, например, обладающих повышенной или избирательной чувствительностью к каким-либо внешним воздействиям, либо из-за специфики своего проявления выполняющих автоматическое преобразование какого-либо воздействия в выходной сигнал, удобный для пользователя.

В настоящее время можно считать установленным фактом, что введение дислокации в кристаллы полупроводников, например путем пластической деформации, вызывает следующие нарушения решетки [1]:

·   локальные поля упругих напряжений вокруг дислокации;

·   нарушенные или ненасыщенные связи и обусловленные ими уровни энергии;

·   области пространственного заряда, которые сразу образуются в полупроводниках и окружают дислокацию.

Согласно модели Рида, краевая дислокация может быть представлена в виде трубки пространственного заряда, как это показано на рис. 1. Отрицательный заряд ядра дислокации, например в германии и кремнии, образуется посредством притяжения свободных электронов к ненасыщенным связям. Последние создают локализованный пространственный заряд. В кристаллах с дислокациями точки решетки, расположенные на дополнительной полуплоскости, образуют линейный заряд, вокруг которого устанавливается цилиндрический пространственный заряд.

Рис. 1. Модель дислокационной трубки пространственного заряда и ее энергетическая диаграмма

Протяженность области пространственного заряда вокруг дислокации - порядка нескольких микрометров, она зависит от степени легирования полупроводника, для слаболегированного кристалла она может достигать 100 мкм [1].

Дислокационные уровни, расположенные в середине запрещенной зоны, являются идеальными для электронно-дырочной рекомбинации с равным числом партнеров из валентной зоны и зоны проводимости. Инжекция носителей вблизи таких центров приводит к увеличению скорости рекомбинации любых пар носителей из обеих зон или из ловушек, имеющих уровни в середине запрещенной зоны, которые могут служить промежуточными ступенями в каскадном процессе перехода из зоны проводимости в валентную зону. Как и в электронно-дырочном переходе, здесь сильные локальные электрические поля, обусловленные наличием трубок пространственного заряда, ускоряют электроны до тех пор, пока они не приобретут импульс, достаточный для возбуждения других электронов в зону проводимости.

Известно, что облучение полупроводников, имеющих глубокие дислокационные состояния, световым излучением широкого спектрального диапазона сопровождается увеличением коэффициента поглощения полупроводника в области его границы фундаментального поглощения [2].

Экспериментальные исследования пластически деформированных полупроводников показали, что изменения края фундаментального поглощения могут быть обусловлены электрическим полем дислокации [2], полем механических напряжений [3], точечными дефектами, возникающими в процессе пластического деформирования,

В статье [3] исследовано изменение спектров поглощения в области края фундаментального поглощения в кремнии и арсениде галлия при введении дислокации в кристалл методом одноосного сжатия при повышенной температуре. Обнаружено поглощение с красной границей
эВ в  и эВ в . Авторы утверждают, что данное поглощение обусловлено изменением ширины запрещенной зоны кристалла в поле упругих напряжений дислокации.

С целью выяснения природы электронных состояний в кремнии с дислокациями, сформированными описанным выше способом, в работе [2] проведены совместные исследования методами оптического поглощения, DLTS и ЭПР (электронный парамагнитный резонанс). В результате в спектре пластически деформированного кремния обнаружены три типа оптических переходов: переход из нижней зоны дислокационных оборванных связей эВ в зону проводимости с эффективным сечением поглощения фотона см2 эВ-0,5; переход 0,98 эВ между локальными состояниями дефектов, рожденных движущейся дислокацией; переход типа уровень – зона, по мнению авторов, возможно обусловленный возбуждением электронов из состояний поверхностных дефектов микро- и макротрещин эВ в зону проводимости.

Таким образом, результаты ранних исследований свидетельствуют о сложной структуре дислокационного спектра практически деформированного кремния.

В настоящей работе исследуется возможность и целесообразность применения электроимпульсной обработки (ЭИО) как метода локального энергетического воздействия на полупроводниковые материалы для модифицикации их структуры и оптических свойств. Ранее было показано, что диаметр зоны, подвергаемой воздействию электрического разряда, определяется режимом ЭИО и может достигнуть значения порядка 1 мкм. При ЭИО в межэлектронном промежутке (МЭП) практически мгновенно выделяется значительная энергия (от долей до десятков джоулей). В результате в локальных объемах на поверхности электродов и в МЭП происходит ряд термополевых эффектов, приводящих к формообразованию, легированию и изменению кристаллической структуры поверхностных слоев электродов [4-7].

Известно, что электроимпульсная обработка полупроводниковых материалов приводит к возникновению нарушенного поверхностного слоя. Толщина этого слоя может составлять 30-40 мкм, а при мягких режимах – не более 10-15 мкм [4]. По некоторым данным [5], при ЭИО в мягком режиме глубина нарушенного поверхностного слоя может быть не более 2 мкм.

Механизм зарождения и распределения дислокации по объему монокристаллического кремния при воздействии ЭИО исследован в статье [6]. Объем дислокационной области, а также средняя плотность дислокации в ней определяются энергией разряда, удельным сопротивлением полупроводникового материала, его исходной температурой, а также температурой и временем последующего высокотемпературного отжига.

В данной работе методом ИК-спектрометрии оценивалась степень структурных изменений приповерхностного слоя монокристаллического кремния, подвергаемого ЭИО в разных режимах. ИК-спектры пропускания снимались на инфракрасном спектрометре ИКС-14А при температуре К в спектральной области 7000...1100 см-1 ( мкм). Измерения проводились на пластинах кремния марки КЭФ-3 (111) до и после ЭИО в различных режимах. Режим ЭИО характеризовался энергией разрядов  и плотностью возникающих эрозионных лунок  на единицу поверхности.

Для твердого вещества в виде плоскопараллельной пластины толщиной  с коэффициентом отражения  показатель поглощения  связан с коэффициентом пропускания  соотношением [8]

,                                                 (1)

где  - поток излучения, прошедший сквозь кремниевую пластину;  – поток излучения, падающий на кремниевую пластину.

Отсюда имеем

.                                                  (2)

Для кремния в области длин волн  мкм [8] .

Рис. 2. ИК-спектры поглощения в кремнии

На рис. 2 показаны ИК-спектры поглощения, построенные с помощью выражения (2) по данным измерения коэффициента пропускания . Кривые построены в предположении, что образцы кремния однородны. При расчете кривой  использовалось значение  мкм, соответствующее толщине кремниевых пластин. При расчете кривых 2-5 учитывалось, что увеличение поглощения после ЭИО пластин происходит за счет поглощения в образовавшемся нарушенном поверхностном слое, толщина которого в первом приближении равна 20 мкм. Построенные кривые 2-5 характеризуют поглощение ИК-излучения непосредственно в нарушенном слое кремния. Видно, что после ЭИО край собственного поглощения в кремнии смещается в длинноволновую сторону. Количественно оценить это смещение трудно, однако, экстраполируя кривые с участков, где коэффициент поглощения изменяется сильнее всего, до нулевого значения , получаем значение смещения  для кривых 2–5 относительно кривой .

Смещение полос соответствует изменению эффективной ширины запрещенной зоны на величину .

Изменение эффективной ширины запрещенной зоны может быть вызвано искажением решетки кремния в результате ЭИО. Изменение постоянной решетки кремния  связано с соответствующим изменением ширины запрещенной зоны соотношением  [8]. Рассчитанные по приведенным на рис. 2 кривым значения параметров приведены в таблице.

Таблица. Значения ,  и  в зависимости от режима ЭИО кремния

Режим ЭИО кремния

Смещение края
фундаментальной полосы , мкм

Изменение ширины
запрещенной зоны , эВ

Искажение
решетки
, мм

 Дж,  см-2

0,12

0,10

0,080

 Дж,  см-2

0,15

0,13

0,105

 Дж,  см-2

0,24

0,20

0,168

 

Из приведенных данных видно, что ЭИО может приводить к существенному искажению кристаллической решетки кремния. Смещение края фундаментальной полосы поглощения в результате ЭИО кремния в длинноволновую сторону свидетельствует об уменьшении ширины запрещенной зоны. В свою очередь, это означает, что в нарушенном слое кремния преобладают растягивающие напряжения деформации. Это подтверждается также тем, что интенсивная ЭИО всей поверхности приводит к изгибу кремниевой пластины, причем нарушенный слой при этом находится на вогнутой стороне пластины.

Таким образом, следует ожидать, что облучение светом ИК-диапазона кремниевых структур, содержащих структурно-неоднородные области, сформированные ЭИО, может привести к локальному выделению дополнительной энергии светового излучения в объеме полупроводника в указанных областях кремния и активации в них ряда физико-химических процессов, причем энергия, необходимая для активации таких процессов, в данном случае может быть существенно ниже, чем при изотермическом отжиге. Полученный эффект может быть использован для построения новых сенсорных структур и элементов микросистем на кремнии с использованием технологии MEMS микроэлектромеханических систем. Конкретные примеры использования будут рассмотрены в ближайших номерах издания.

Список литературы

1.   Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках: Пер. с англ. Г Н. Гуро/ Под ред. С.А. Медведева. М.: Мир, 1974. 464 с.

2.   Баженов Л.В., Кведер В.В., Красильникова ЛЛ., Шалыннн А.И. Поглощение света глубокими дислокационными состояниями в кремнии // ФТТ. 1986. Т. 28. № 1. С. 230-234.

3.   Баженов А.В., Красильникова Л.Л. Поглощение света в поле упругих напряжений дислокации в кремнии и арсениде галлия // ФТТ. 1985. Т. 28. № 1.С. 235-241.

4.   Лазаренко Б.Р. Некоторые научные проблемы электрической эрозии материалов // Электронная обработка материалов. 1969. № 2. С. 7-11.

5.   Воробьев А.А. О процессах разрушения тел при их бомбардировке с большой скоростью//Электронная обработка материалов. 1969. № 2. С. 23-26

6.   Воробьев А.А. Основы измерения свойств материалов при электроискровой обработке // Электронная обработка материалов. 1969. № 6. С. 25-30.

7.   Лазаренко Н.И. О механизме образования покрытий при электроискровом легировании металлических поверхностей // Электронная обработка материалов. 1965. № 1. С. 49-53.

8.   Лошкова Э.Н. Исследование инфракрасного спектра поглощения кремния, облученного нейтронами // Труды Физического института им. П.Н. Лебедева. М.- Наука, 1966. № 37. С. 102-148.