Мікропластичність алмазоподібних кристалів (Si, Ge, GaAs, InAs)

У деяких роботах Мілевського Л.С., Єременка В.Г., Нікітенка В.І., Якімова Є.Б., Конончука О.В., Орлова В.І. висловлені міркування про те, що електрична активність дислокацій головним чином визначається не “розірваними” зв'язками, а наявністю в домішкових атмосферах комплексів точкових дефектів. Що стосується центрів безвипромінюваної рекомбінації, то результати різних робіт вкрай суперечливі: за методом DLTS не виявляється електрична активність “чистих” дислокацій, в той час як методами фотолюмінісценції та збудженого електронним променем струму рекомбінаційна активність дислокацій в гетероструктурах Si/SiGe проявляється в усіх випадках.

Як показано в третьому і четвертому розділах, при низькотемпературній деформації Ge і Si можна створювати практично “чисті” дислокації. Деформація Ge n - і р - типу провідності супроводжується донорним ефектом, який має такі особливості прояву:

Поява донорів, а також центрів рекомбінації, що знижують тривалість життя нерівноважних носіїв заряду, відбувається саме при тих напруженнях, при яких на діаграмах з'являється сходинка мікропластичності.

Донорна дія спостерігається як безперервний процес на перехідних стадіях повзучості.

Прояви мікропластичності і донорний ефект виникають одночасно з генерацією дислокацій на гетерогенних джерелах типу GeOx.

Таким чином, комплексні дослідження показують, що кисневі преципітати відіграють важливу роль не тільки в зародженні дислокацій, але й можуть при зміні їх електричної активності впливати на електричні властивості напівпроводників. Двоокис германію являє собою тетраедричну модифікаюцію GeO2, що побудована із структурних груп GeO4. Тому можна вважати, що GeO2 знаходиться в кристалах Ge у вигляді структурних груп GeO4 або більш складних асоціатів на їх основі. Можна завбачити, що такі дефекти будуть електрично неактивні, оскільки валентні електрони атомів кисню утворюють зв'язки з регулярними атомами. Утворення електрично активних кисневих комплексів можливе при захопленні центрами GeO4 вакансій (рис.6, а), причому послідовний захват другої і третьої вакансії призводить до зміщення донорного рівня комплекса углиб забороненної зони. Можливо, що донорні стани комплексів формуються із станів валентної зони.

Структурний аналіз деформованих з одночасним УЗ опроміненням при 300 К кристалів Ge дійсно показує, що поблизу поверхні навколо включень формуються скупчення вакансій у вигляді вакансійних дисків (рис.6, б), які можуть змінювати електричну активність структурних груп GeO4. Наведена структура (рис.6, б) утворена внаслідок існування пружної енергії стискання включення. Під дією циклічної деформації релаксація напруження виникає за рахунок притоку вакансій до міжфазної поверхні, а також генерації і руху дислокаційних петель в зворотному напрямі.

У роботі досліджувався вплив дефектного приповерхневого шару в n  Ge, створеного низькотемпературною деформацією, на процес рекомбінації і на тривалість життя інжектованих дірок р. Використовувався монокристалічний n - Ge марки ГЕС 20/1,5 із середньою густиною дислокацій 4103 см-2. Готові до випробувань зразки розмірами 3410 мм3 деформувались вздовж більшого ребра (10 мм), орієнтованого у кристалографічному напрямі [110]. Режим деформування був циклами одновісного стискання і розвантаження, напруження в циклі  = 200 МПа, тривалість одного циклу 2 години, загальна тривалість випробувань була одна доба при одночасному УЗ опроміненні на частоті 22,5 кГц з потужністю 5 Вт.

Вимірювання тривалості життя інжектованих дірок виконували за методом модуляції провідності в точковому контакті з поверхнею. Цінність методу полягає в його локальності: вимірюваний час визначається процесами рекомбінації надлишкових носіїв заряду в малій приконтактній зоні глибиною 10 а (де а - радіус зонда, який становить декілька мікрометрів). Тому при вимірюванні в різних точках на поверхні зразка можна складати топограму і встановлювати кореляцію з розподілом на поверхні дефектів структури, які являються ефективними центрами рекомбінації.

Тривалість життя для недеформованих зразків n - Ge визначалась із залежності

, (4)

де спад напруги вимірювального імпульсу, задержаного на час після закінчення інжектуючого імпульсу. Для зразків з питомою провідністю  = 5 См/м, рухомістю дірок  = 0,17 м2В-1с-1 при струмі інжекції 10 мА і тривалості імпульсу Т = 250 мкс знайдені значення тривалості життя дірок мало залежали від місця установки зонда і становили 250 мкс, вказаному у сертифікаті кристала.

Впровадження деформацією дефектів кристалічної будови в приповерхневий шар монокристала Ge істотно змінювало вид кривих . На ділянках, що відповідали малим значенням , починаючи з  = 0, з'являлась ділянка з підвищеною крутизною, кут нахилу якої у системі координат зростав з підвищенням густини структурних дефектів. (У формулі при =0). Таким чином було встановлено, що в широкому інтервалі значень з нормованих залежностей при певних умовах можна визначати тривалість життя в приповерхневому шарі (при малих затримках ) і в глибині кристала при  = (2 3) .

Після низькотемпературної (при Т = 310 К) деформації значення знижувалось. Його розподіл на поверхні був нерівномірним - відповідно до розподілу напружень і густини утворених дефектів структури (дислокацій і кластерів). Найбільше зниження тривалості життя (до 20 мкс) було в місцях концентрації напружень - біля торців і бічних ребер зразка. При пошаровому хімічному травленні визначені значення поступово повертались майже до вихідного значення (250 мкс): на глибині х  5 мкм це відновлення спостерігалось у центрі бічних граней, а при х = (50 - 100) мкм від поверхні - біля ребер зразка.

Розглянуто нову теоретичну модель, в якій інжекція носіїв заряду у зразок відбувається через проміжний дефектний шар. Задача розв'язувалась для таких же параметрів зразка і інжектуючого імпульсу, що використовувались в експерименті. Розподіл надлишкових дірок в напівпровіднику уздовж напряму r зразка в момент закінчення інжектуючого імпульса визначали за формулою

, (5)

де концентрація надлишкових носіїв заряду у напівпровіднику на межі із зондом, для радіуса r. За формулою (5) оцінювали також глибину проникнення надлишкових дірок у напівпровідник. При  = 5 См/м,  = 0,17 м2В-1с-1, Т = 300 мкс,  = 5 мкм для r < 1,5 мм показник експоненти в (5) був << 1. Тому в напівсфері радіусом 1,5 мм в момент закінчення інжектуючого імпульсу концентрація надлишкових дірок практично одинакова.

Розподіл дірок у зразку після закінчення інжекції знаходили із врахуванням їх рекомбінації і дифузії. Отримана залежність нормованого спаду напруги на зонді після закінчення імпульсу інжекції в залежності від часу

. (6)

Теоретичні розрахунки згідно (6) показують, як і в експерименті, наявність двох ділянок на кривих з різними значеннями : першої, з великою крутизною, що відповідає рекомбінації інжектованих носіїв у приповерхневому шарі з часом життя  = 20 мкс і другої, положистої, з якої знаходиться  = 250 мкс для товщі кристала. Одержані теоретичні розрахунки якісно узгоджуються з результатами експерименту. Розроблена комп'ютерна програма може бути використана при розв'язанні задач із зміненими початковими умовами, наприклад, при врахуванні певного розподілу по товщині дефектного шару, а експериментальні оцінки р вказанним методом можна застосовувати для контролю якості поверхні при механо-термічних та інших видах обробок.

Експерименти з термічних обробок (ТО) германію показали, що в деформованих при 300 К, а потім відпалених у вакуумі при Т < 600 К істотно не змінюється. Відпалювання при температурах 600, 700, 800 і 900 К знижують величину і змінюють розподіл за висотою зразка. Після високотемпературних ТО (800 і 900 К) збільшується товщина шару з дислокаціями внаслідок їх генерації від більш глибоких джерел під поверхнею, підвищується однорідність шару по висоті зразка (зменшуються перепади ) і більшість точкових дефектів, як показали вимірювання ЕРС Холла, відпалюється внаслідок дифузії до стоків (в основному на поверхню і до дислокацій). У результаті гетеруючої дії дислокацій нерівноважних носіїв заряду у дефектному шарі визначається рекомбінацією на дислокаціях. З електричних вимірювань і структурних досліджень зразків n - Ge, деформованих при 300 К і затим відпалених протягом 5 годин при 900 К, встановлено, що залежність часу життя дірок у приповерхневому шарі залежить від густини дислокацій як  = 2,5/(см-2).

Пластична деформація матеріалу поблизу p - n-переходу призводить до зростання зворотного струму польової і термогенераційної природи. Особливо різко проявляються ці ефекти в умовах, якщо дислокації перетинають p - n-перехід.

У літературних джерелах відсутні дані про електричну активність, що характеризується величиною зворотного струму на дефект, для чистих дислокацій у відсутності забруднення домішками. Ці та інші результати впливу деформації на властивості Si p - n-переходів були одержані в даній роботі.

У першій серії експериментів використовували дифузійні Si p - n-переходи на базі шайб діаметром 5 мм, товщиною 0,2 мм на відстані від поверхні 5 мкм. Р - n-переходи виготовляли дифузією бору (51018см-3) в площину (111) монокристалів Si (p, 21016см-3) з густиною дислокацій у вихідних монокристалах  2102см-2. Переходи піддавалися деформації стисканням при Т = 300 К у ступінчастому режимі навантаження. Одноразовий приріст напруження  = 12 МПа, після кожного стрибка деформації p - n-перехід витримували під навантаженням 30 - 50 хвилин. При цьому вимірювався темновий зворотний струм переходу. Було встановлено, що починає зростати з часом тільки при досягненні  = 72 МПа (тобто після 6-го навантаження), коли на глибині p - n-переходу починають з'являтись дислокації. На стадії витримки у часі зростання струму поступово уповільнюється і завершується через 50 хвилин, що пояснюється загасанням повзучості (стабілізацією дислокаційної структури). На стадіях витримки наступних довантажень абсолютний приріст зменшується, внаслідок зменшення приросту густини дислокацій в зоні просторового заряду. Розрахунки величини зворотного струму на одну дислокацію, що перетинає p - n-перехід, дають значення 1,3310-9 А.

У проміжку температур 77 - 300 К критичне напруження зародження дислокацій мало залежить від температури. Електрична активність дислокацій, введених при 300 К, змінюється з часом, оскільки створені рухомою дислокацією вакансії, домішкові або власні міжвузловинні атоми, що знаходяться поблизу дислокації, можуть рухатися до неї, частково знижуючи навколишнє напруження і генераційну активність. Витримка у часі деформованих при 77 К p - n-преходів показує достатню стабільність зворотного струму протягом години. Визначена з температурної залежності зворотного струму енергія дислокаційного рівня для чистих дислокацій становила +0,64 еВ, що збігається з основним генераційно - рекомбінаційним дислокаційним рівнем, знайденим Веланом. Другий енергетичний рівень +0,4 еВ, зумовлений комплексами на основі дислокацій, узгоджується з експериментальними даними, одержаними Нікітенком В.І.

У другій серії експериментів використовували планарні p - n-переходи на основі монокристалічного Si, вирощеного за методом зонного плавлення з питомим опором 500 Омсм і малою концентрацією кисню (< 1015 см-3). Глибину переходів визначали за методом скошеного шліфа, дислокації в p - n-переході до і після деформації виявляли оптичним методом. Досліджували рекомбінаційну активність дислокацій, введених в інтервалі температур 300 - 650 К. Тривалість життя інжектованих в базу носіїв заряду визначали із аналізу перехідних процесів у p - n-структурі. На глибину p - n-переходу 8 мкм вдавалось ввести дислокації лише при Т  450 К. При цьому тривалість життя р знижувалась від 250 мкс до 100 мкс. Після введення дислокацій при 650 К на вольт-амперних характеристиках переходів з'являлась ділянка різкого зростання Іrev, яка за своїм виглядом подібна до залежності Іrev стабілітрона. Р - n-переходи з дислокаціями, введеними при Т = 300 К, можна використовувати для стабілізації напруги, причому вони мають переваги порівняно з промисловими зразками, оскільки зростання Іrev в дислокаційних переходах не супроводжується появою імпульсної складової струму.

У шостому розділі “Утворення дефектів у монокристалах германію при імпульсній лазерній дії” досліджувалась модифікація поверхні Ge при імпульсному лазерному опроміненні. Дія лазерного променя спричиняє три важливі для дефектоутворення ефекти: нагрівання, деформацію приповерхневого шару і електронне збудження центрів.

У першу чергу були поставлені задачі визначення умов імпульсного лазерного опромінення, при яких найбільш ефективно створюються напруження зсуву у приповерхневому шарі кристала, а також розрахунку температурного поля в зоні лазерної плями.

Опромінення поверхні виконувалось рубіновим лазером в режимі вільної генерації на довжині хвилі = 0,694 мкм. Густина енергії випромінювання змінювалась в межах 2-25 Дж/см2, тривалість імпульсу була 1 мс.

При варіації інтенсивності енергії встановлено, що максимальні напруження зсуву в приповерхневих шарах Ge виникають під дією розфокусованого променя за умови, якщо порогова енергія, достатня для плавлення поверхні, досягається лише в центрі лазерної плями. При цьому на значній відстані від центра плями і зони оплавлення виникають тріщини і упорядковані лінійні дефекти, орієнтація яких визначається кристалографічною структурою Ge.

Для розрахунків температурних полів використовували диференціальне рівняння теплопровідності

, (7)

де с - питома теплоємність, - густина речовини, Т - температура, t - час, х - координата, k - коефіцієнт теплопровідності, g - теплова потужність, що виділяється в одиниці об'єму речовини у результаті поглинання світлового випромінювання. Особливість розв'язування рівняння (7) полягала в необхідності врахування температурної залежності с, k і коефіцієнта поглинання, який неявно входить до значення g. Рівняння розв'язували за методом сіток. Розподіл густини енергії в промені був близьким до гауссового . У рівнянні W0 - густина світлової енергії у центрі плями, D - її діаметр, r - відстань від центра плями.

За результатами комп'ютерних обчислень були одержані залежності температури уздовж радіуса плями для різних моментів часу від початку дії лазерного опромінення. З використанням рівняння (7) розраховували також розподіл температури по глибині кристала Ge. При цьому враховували плавлення і переміщення межі внаслідок сублімації. Були побудовані графіки ізотерм для зони дії лазерного променя, що відображали розподіл температури, коли на поверхні вона досягала максимального значення. Вказані температурні розрахунки були необхідні для встановлення взаємозв'язку з тими структурними змінами, що спостерігались навколо лазерної плями і по глибині кристала.

При дії на поверхню (112) лазерного імпульсу з енергією 6 Дж поблизу розплаву виникають тріщини і слабке оплавлювання в місцях виходу дислокацій. На деякій відстані від центра плями, де температура згідно розрахунків не перевищувала 420 К, виявились лінійно-періодичні структури дислокацій на глибині до 10 мкм. Детальний аналіз структури показує, що періодичні, з періодом 0,9 мкм структури дислокацій формуються в початковий період дії лазерного імпульсу, а не у процесі релаксації напружень після його закінчення. При лазерному опроміненні, як і в умовах низькотемпературної деформації, зародження дислокацій в приповерхневих шарах Ge відбувається згідно дифузійно-деформаційному механізму. В обох випадках поблизу поверхні істотно зростає концентрація вакансій. Утворення періодичних структур пояснюється вакансійно-деформаційною нестійкістю (ВДН) при лазерному опроміненні.

Фізичний механізм ВДН полягає в тому, що флуктуаційна гармоніка пружного середовища приводить до просторової модуляції швидкості генерації вакансій, а також спричиняє їх деформаційно-індукований дрейф. Внаслідок перерозподілу вакансій виникають сили (F  grad Nv), які деформують пружне середовище і підсилюють початкову деформацію, що і збуджує ВДН. Оптичним методом було показано, що лінії дислокацій періодичної структури спрямовані від центра лазерної плями, а їх виникнення можна зв'язати з дією періодичних кругових напружень , які створюють періодичну деформацію у вигляді , де , r0 - радіус плями, k - стала Больцмана, Еv - енергія утворення вакансій, m - ціле число, - азимутальна координата, - інкремент (декремент) зростання деформації, що не залежить від часу.

Нами запропонована нова модель, у якій лінії дислокацій періодичної структури утворюються з коротких призматичних петель міжвузловинного типу, що мають вихід на поверхню. Такі петлі, розмірами 0,5-1мкм, існують у вирощених Ge і Si, або можуть зароджуватись на включеннях під дією деформації. Збільшення чи зменшення призматичної петлі відбувається добудовою її атомної площини новими атомами, або її розчиненням при поглинанні вакансій. Зміну радіуса петлі міжвузловинного типу у часі при наявності потоку вакансій можна виразити за формулою

, (8)

де Rм - радіус петлі; В - параметр, що залежить від коефіцієнта дифузії вакансій, їх рівноважної концентрації і параметрів дислокаційної петлі; - кут між вектором Бюргерса дислокації і напрямом дії зовнішньої сили; - величина вакансійного пересичення; ; - параметр решітки, - напруження, - безрозмірний параметр.

Проаналізована згідно (8) зміна радіуса петель, які знаходяться у лінійно-періодичному полі напружень стискання і розтягування. При цьому уздовж смуги стискання пересичення вакансіями зменшує напруження невідповідності на міжфазній поверхні включення з матрицею і нові дислокації не зможуть зароджуватись. Уздовж смуги розтягування пересичення вакансій мінімальне. Числові розрахунки для , , , , , 0 дають значення , і тому, відповідно, . Отже дислокації, орієнтовані уздовж смуги розтягування, повинні збільшуватись у розмірах. При анігіляції компонент різного знаку призматичні міжвузловинні петлі об'єднуються, утворюючи довгі лінії крайових дислокацій. Причому генерація носіїв заряду при лазерному фотозбудженні може додатково стимулювати процес дифузії і підвищувати рухливість дислокацій.

Досліджена модифікація поверхні Ge лазерними імпульсами тривалістю 40 нс. Огляд літератури свідчить, що при дії потужного лазерного опромінення в приповерхневому шарі алмазоподібного кристала генеруються дефекти, природа яких до кінця ще не з'ясована. Зокрема, дискусійним постає питання: чим насичуються тонкі шари зразка під час швидкої кристалізації з розплаву - вакансіями чи міжвузловинними атомами? Результати електронної мікроскопії, як правило, свідчать про те, що у результаті лазерного плавлення і наступної епітаксійної кристалізації шари не містять лінійних дефектів.

Нами досліджувалась дія лазерного імпульсу тривалістю  нс з довжиною хвилі мкм і енергією 650 мДж на поверхню (112) монокристалічного Ge. Діаметр плями приймали рівним 3 мм. Було розраховано потужність, що вводилась у кристал, а також реактивний тиск пари на його поверхню. Рівняння теплопровідності (7) розв'язували з урахуванням температурних залежностей оптичного поглинання Ge, теплоємності, теплопровідності і модуля зсуву. Враховували також зростання прозорості пари з підвищенням його температури, а також переміщення границі внаслідок сублімації.

Експеримент показав, що підвищення температури, а також утворення високого реактивного тиску (згідно розрахунків до 900 МПа) на поверхню приводить до значних структурних змін в лазерній плямі: оплавлення на глибині теплової дифузії (декілька мікрометрів) і зародження коротких (2 мкм) дислокаційних петель на невеликій глибині під поверхнею. На монокристалах Ge зародження дислокацій виявлене уперше. При детальному аналізі великої кількості таких петель виявлено, що вони утворюються на малих домішкових включеннях, які існують в кристалах Ge після їх вирощування.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена поставлена наукова проблема: встановлені фізичні закономірності і структурно-кінетичні особливості низькотемпературної (від Т = 0,35 Тпл до температури рідкого азоту) мікропластичної деформації алмазоподібних кристалів Sі, Ge, GaAs та ІnAs в області малих і середніх величин напружень ( 400 МПа).

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. Уперше з використанням широкого набору експериментальних методів досліджень (оптичної і електронної мікроскопії, рентгенівської топографії, електричних вимірювань структурно чутливих параметрів) - комплексно досліджені закономірності мікропластичної деформації алмазоподібних кристалів Sі, Ge, GaAs та ІnAs у температурній області крихкого руйнування.

2. Вперше показано, що при переході з області високих температур у низькотемпературну область (нижче 0,35 Тпл) відбувається зміна механізму руху дислокацій від ковзання до механізму переповзання, що реалізується при малих і середніх рівнях напружень у приповерхневих шарах кристалів внаслідок зміни хімічного потенціалу точкових дефектів (зокрема вакансій) у полі прикладених напружень і виникнення відповідних направлених дифузійних потоків. Зазначені процеси в приповерхневих шарах здійснюються найбільш інтенсивно, особливо при циклічному деформуванні, внаслідок того, що вільна поверхня є областю полегшеного зародження і стікання точкових дефектів. При циклічному деформуванні кристалів реалізується дифузійне накачування вакансій з вільної поверхні кристала і подальша їх конденсація на внутрішніх стоках, що веде до утворення кластерів і неконсервативного руху (переповзання) ростових і деформаційних дислокацій. Отримані результати дозволили пояснити фізичну природу низькотемпературної мікропластичності алмазоподібних кристалів в інтервалі малих і середніх величин напружень з позиції дифузійно-дислокаційного механізму деформації, що виключає необхідність обов'язкового залучення до пояснення отриманих результатів атермічних безактиваційних або яких-небудь інших специфічних механізмів, які вимагають для своєї реалізації високого рівня напружень.

3. Експериментально показано, що в умовах одноосьового навантаження Ge (однократного, циклічного або програмованого, у тому числі з УЗ опроміненням) за короткий проміжок часу низькотемпературної деформації (протягом декількох хвилин) основним типом дефектів, що зароджуються, є вакансійно-домішкові кластери, які істотно змінюють фізичні властивості кристалів у приповерхневому шарі 100 мкм. При тривалих випробуваннях (кілька годин або діб) у кристалах генеруються точкові дефекти і дислокації, причому перший тип дефектів за часом передує зародженню дислокацій, а тому в значній мірі визначає їх особливість руху, густину і глибину залягання у приповерхневому шарі товщиною до декількох мікрометрів.

4. Показано, що зародження дислокацій в Ge і Sі в низькотемпературній області деформації відбувається по гетерогенному механізму, зокрема на постростовых включеннях типу GeOx й SіOx. Процес зародження петель, очевидно, здійснюється відповідно до моделі Ешбі-Джонсона, відповідно до якої напруження невідповідності, яке виникає на міжфазній поверхні включення і матриці, спочатку викликає зародження петлі ковзання у первинній площині з максимальним напруженням зсуву, а потім трансформується шляхом поперечного ковзання в призматичну петлю. Подальше віддалення петлі від центра зародження відбувається шляхом переповзання. Показано також, що в смугах "пошарового росту" найбільш активними джерелами дислокацій є дрібні, можливо, В - або D - дефекти, які вибірковим травленням виявити не вдається на відміну від А - дефектів, що надійно виявляються оптичним методом.

5. Встановлено, що в монокристалах Ge, деформованих стисканням при 300 К, на кривих навантаження - проявляється анізотропія, яка залежить від вибору напрямку кристалографічної осі деформування. Напруження, при якому починається мікропластична деформація, зростає, а величина деформації зменшується при зміні площини навантаження в послідовності (110), (112) і (111).

6. Вперше досліджена повзучість алмазоподібних кристалів Ge, Sі, GaAs, ІnAs при 400 МПа і Т = 300 К в області мікропластичності. На залежностях t, отриманих при ступінчастому навантаженні кристалів, виявлено дві області з різними механізмами деформації: на початкових ступенях навантаження (до критичного напруження кр) повзучість обумовлена зсувом ростових дислокацій, а вище кр повзучість здійснюється із загасанням на наступних ступенях за рахунок розмноження (появи нових) дислокацій. Визначено термоактиваційні параметри повзучості - активаційний об'єм і енергію активації, значення яких свідчать про те, що мікропластична деформація у приповерхневих шарах здійснюється легше у порівнянні з об'ємом кристалів.

Запропоновано спосіб створення градієнтів напружень з можливістю їх чисельного розрахунку в пластині зі скошеними краями. Представлені в 3 й 4 розділах експериментальні і розрахункові дані відкривають нову методику для вивчення кінетичних закономірностей низькотемпературної дифузії і визначення її енергетичних параметрів, а також швидкості переміщення дислокацій у приповерхневих шарах.

7. Отримано нові експериментальні результати про вплив низькотемпературної мікропластичної деформації на електричні властивості Ge: електричну провідність, час життя нерівноважних носіїв заряду і на зміну цих параметрів при термообробках. Тривалість життя в монокристаллах Ge знижується від 250 мкс до 1020 мкс після низькотемпературної деформації, але майже повністю відновлюється до вихідної величини після видалення приповерхневого дефектного шару кристала. Розглянуто нову теоретичну модель, у якій інжекція нерівноважних носіїв заряду із точкового контакту в зразок відбувається через проміжний дефектний шар. Рішення цієї задачі чисельним методом для визначення в дефектному шарі і у товщі кристала для моделі дає добре узгоджені результати з експериментом. Встановлено, що при ступінчастому навантаженні n-Ge в залежності від рівня напружень може проявлятися як донорна, так і акцепторна дія деформації.

8. Показано, що початок росту зворотного струму Іrev в Sі pn-переходах під час деформування при 300 К відбувається при тих же напруженнях кр, що і в зразках Sі. З температурних залежностей Іrev деформованих при 77 К pn-переходів визначені значення енергій дислокаційних рівнів. Вивчено вплив дефектів структури на тривалість життя неосновних носіїв заряду у мілких pn-переходах на основі аналізу перехідних процесів переключення із прямого у зворотне їх включення.

9. Проведено теоретичні і експериментальні дослідження впливу імпульсного лазерного опромінення на дефектоутворення в приповерхневих шарах Ge. Розраховані і побудовані графіки розподілу температури в області лазерної плями на поверхні й по глибині напівпровідника при дії лазерного імпульсу тривалістю 1 мс. Оптичним методом показані структурні зміни поблизу зони оплавлення і на периферійних ділянках, де виникають упорядковані структури дислокацій. Запропоновано нову модель утворення впорядкованих лінійних дефектів, відповідно до якої довгі лінії дислокацій періодичної структури утворюються із сукупності призматичних петель, орієнтованих полями деформації і концентрації вакансій.

10. Вивчено дію лазерного імпульсу тривалістю 40 нс, довжиною хвилі 0,694 мкм і енергією 650 мДж на поверхню (112) монокристалічного Ge. Чисельним методом здійснено моделювання процесу введення оптичної потужності в кристал, за неявною схемою розв'язане рівняння теплопровідності для зазначених умов опромінення й показано, що відповідно до розрахунків відбувається зріз заднього фронту на часовій залежності густини оптичної потужності внаслідок поглинання в парі. Під дією високого реактивного тиску (900 МПа) і температури на глибині в декілька мікрометрів зароджуються короткі (2 мкм) дислокаційні петлі. На монокристалічному Ge ці результати отримані вперше.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЯХ:

Влияние низкотемпературной микропластической деформации на электрические свойства кремниевых p - n-переходов / В.А. Надточий, А.З. Калимбет, В.П. Алехин, А.Я. Белошапка // Физ. и хим. обраб. материалов. - 1985.№1. - С.115 - 120.

До теорії низькотемпературної повзучості, зумовленої виснаженням дислокацій / М.К. Нечволод, М.М. Голоденко, В.О. Надточій, Ю.М. Гриценко, Д.Г. Сущенко // Журн. фіз. досліджень. - 2000. №3. - С.298 - 302.

Измерение времени жизни носителей заряда и толщины дефектного приповерхностного слоя полупроводника методом модуляции проводимости в точечном контакте / В.А. Надточий, Н.Н. Голоденко, Н.К. Нечволод, Д.Г. Сущенко // Вестник Донецкого университета. - 2000. №1. - С.98 - 103.

Надточий В.А., Нечволод Н.К., Сущенко Д.Г. Исследование электрических свойств Ge и Si, деформированных при низких температурах //Физ. и техн. высоких давлений. - 2001. - Т.11, №1. - С.104 - 110.

Про рекомбінацію нерівноважних носіїв заряду у дефектному поверхневому шарі монокристалічного Ge / В.О. Надточій, М.К. Нечволод, М.М. Голоденко, Д.Г. Сущенко // Фіз. і хім. твердого тіла. - 2001. - Т.2, №4. - С.707 - 710.

Генерация дислокаций на сферических включениях в кристаллах под действием одноосного напряжения сжатия / В.А. Надточий, Н.К. Нечволод, И.В. Жихарев, Н.Н. Голоденко, Я.Г. Беличенко // Вісник Донецького університету, серія А. - 2002. - №2. - С.197 - 200.

Structure changes by the stress gradient in subsurface layers of germanium single crystals / V. Nadtochy, I. Zhikharev, M. Golodenko, M. Nechvolod // Solid State Phenomena. - 2003. - V.94. - P.253 - 256.

Рух дислокацій у напівпровідниках, спричинений градієнтом напружень / В.О. Надточій, М.М. Голоденко, М.К. Нечволод, І.В. Жихарєв, О.В. Періг // Фіз. і хім. твердого тіла. - 2003. - Т.4, №1 - С.76 - 79.

Рентгеновские исследования дефектов структуры в приповерхностных слоях монокристаллов германия и кремния, деформированных при 310 К / В.А. Надточий, И.В. Жихарев, Н.Н. Голоденко, Н.С. Киселев // Физ. и техн. высоких давлений. - 2003. - Т.13, №1. - С.91 - 95.

Структурные изменения в зоне действия лазерного луча в монокристаллическом германии / В.А. Надточий, В.П. Алехин, Н.К. Нечволод, Н.Н. Голоденко, Д.С. Москаль // Физ. и хим. обраб. материалов. - 2003. - №4. - С.9 - 12.

Nadtochy V., Nechvolod N., Golodenko N. Microplasticity and electrical properties of subsurface layers of diamond - like semiconductors strained at low temperatures // Functional Materials. - 2003. - V.10, №4. - P.702 - 706.

Структурні зміни у приповерхневому шарі Ge під дією лазерного імпульсу / В.О. Надточій, М.М. Голоденко, А.З. Калімбет, Д.С. Москаль // Фіз. і хім. твердого тіла. - 2003. - Т.4, №3. - С.556 - 559.

Надточий В.А., Нечволод Н.К., Голоденко Н.Н. Микропластичность и электрические свойства Ge и Si, деформированных при низких температурах // Вісник Харківського університету, серія “Фізика”. - 2003. - №600, вип. 7. - С.101 - 104.

Nadtochy V., Golodenko M., Moskal D. Investigation of dislocations in Ge single crystals by scanning electron beam // Functional Materials. - 2004. - V.11, № 1. - P.40 - 43.

Надточий В.А., Нечволод Н.К., Москаль Д.С. Установка для исследования микропластичности полупроводниковых кристаллов // Физ. и техн. высоких давлений. - 2004. - Т.14, №2. - С.117 - 121.

Надточий В.А., Нечволод Н.К., Голоденко Н.Н. Изменение времени жизни носителей заряда и проводимости дефектного приповерхностного слоя Ge при термообработках // Физ. и техн. высоких давлений. - 2004. - Т.14, №3. - С.42 - 48.

Надточий В.А, Алехин В.П. Микропластичность монокристаллов Ge при воздействии лазерного облучения и деформации сжатия // Физ. и хим. обраб. материалов. - 2004. - №4. - С.27 - 32.

Moskal D., Nadtochiy V., Golodenko N. Structure changes in GaAs chips deformed by pressing at 300 K // Sensor electronics and microsystem technologes. - 2004. №2. - P.89 - 93.

Надточий В.А., Алехин В.П., Киселев Н.С. Анизотропия микропластичности германия // Физ. и хим. обраб. материалов. - 2005. №1. - С.90 - 93.

Nadtochiy V., Golodenko N., Nechvolod N. Recombination of non-equilibrium charge carriers injected into Ge through intermediate defective layers // Functional Materials. - 2005. - V.12, №1. - P.45 - 50.

Nadtochiy V.O., Alyokhin V.P., Golodenko M.M. Microplasticity of subsurface layers of diamond-like semiconductors under microindentation // Физ. и техн. высоких давлений. - 2005. - Т.15, №1. - С.44 - 49.

Дислокації у приповерхневому шарі Ge, спричинені лазерним імпульсом / В.О. Надточій, М.К. Нечволод, М.М. Голоденко, Д.С. Москаль // Вісник Харківського університету, серія “Фізика”. - 2005. - № 601, вип. 8. - С.130 - 135.

Нечволод Н.К., Надточий В.А., Золотухин В.А. Расчет дислокационных донорных уровней в щелочно-галоидных кристаллах на основе экспериментальных данных по низкотемпературной ползучести // ФТТ. - Донецк: Донецкий университет, 1988. Вып. 18. - С. 60 - 61.

Москаль Д.С., Надточій В.О., Голоденко М.М. Утворення періодичних структур у приповерхневих шарах GaAs під дією імпульсного лазерного опромінення // Вісник Слов'янського педагогічного університету. - 2005. - Вип. 1. - С. 27 - 31.

Действие абразивных частиц на поверхность полупроводника в процессе химико-механического полирования / А.А. Белошапка, А.Я. Белошапка, Н.Н. Голоденко, Ю.Н. Гриценко, В.А. Надточий, Н.К. Нечволод // Слав. гос. пед. ин-т. - Славянск, 2000. - 9 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 27.04.2000, № 96 - УК 2000.

Неконсервативное движение ростовых дислокаций в макрообразцах и нитевидных кристаллах Si и Ge в условиях одноосного сжатия и растяжения при 20С / В.П. Алехин, В.А. Надточий, В.В. Господаревский, М.Х. Шоршоров // III Всесоюзное совещание “Дефекты структуры в полупроводниках”, часть І. Тез. докл., 27 - 29 ноября 1978 г. - Новосибирск: ИФП. - 1978. - С.31.

Ткаченко В.Н., Надточий В.А., Шурыгина Л.С. Автоматизированная установка на базе микро - ЭВМ для определения концентрации примесей в полупроводниках // I Международная конференция “Компьютерные программы учебного назначения”. Тез. докл., 1993 г. - Донецк: Дон ГУ. - 1993. - С.270 - 271.

Дефектный поверхностный слой, возникающий в монокристаллическом Ge при низкотемпературной деформации / В.А. Надточий, Н.К. Нечволод, Ю.Н. Гриценко, О.Н. Панютин // Труды украинского вакуумного общества. Т.2. Тез. докл. 16 - 18 апреля 1996 г. - Харьков: ХФТИ. - 1996. - С.77 - 81.

Structure changes by the stress gradient in subsurface layers of germanium single crystals / V. Nadtochiy, I. Zhikharev, M. Golodenko, M. Nechvolod // Fall Meeting Symposium C “Interfacial Effects and Novel Properties of Nanomaterials”: Thesis of www.scientific.net., Warsaw, 14 - 18 September 2002.

Надточий В.А., Нечволод Н.К., Голоденко Н.Н. Микропластичность и электрические свойства приповерхностных слоев алмазоподобных полупроводников, деформированных при низких температурах // 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН - 1, Т.2. Тез. доп., 10 - 14 вересня 2002 р. - Одеса: ОНУ. - 2002. - С.70.

Дислокационная структура приповерхностных слоев Ge, обусловленная воздействием лазерного луча миллисекундной длительности / В.А. Надточий, Н.Н. Голоденко, А.З. Калимбет, Д.С. Москаль // IV Міжнародна школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”. Тез. доп., 24 - 27 червня 2003 р. - Дрогобич: ДДПУ. - 2003. - С.43 - 44.

Алехин В.П., Надточий В.А. Микропластичность приповерхностных слоев алмазоподобных полупроводников // XIV Петербургские чтения по проблемам прочности. Тез. докл., 12 - 14 марта 2003 г. - С.-Петербург: Дом Ученых РАН. - 2003. - С.42 - 43.

Nadtochy V.A., Golodenko N.N., Moskal D.S. Formation of defects in Ge subsurface layers under the action of laser pulse // IX Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП - ІХ). Тез. доп., 19 - 24 травня 2003 р. - Ів. - Франківськ: Фіз.-хім. ін-т. - 2003. - Т.1. - С.247 - 248.

Надточий В.А., Голоденко Н.Н., Москаль Д.С. Исследование дислокаций сканирующим электронным пучком // Відкрита Всеукраїнська конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. Тез. доп., 9 - 13 вересня 2003 р. - Харків: НТК “Інститут монокристалів”. - 2003. - С.95.

Надточій В.О., Голоденко М.М. Мікропластичність у кристалах GaAs // V Міжнародна школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”. Тез. доп., 27 - 30 червня 2005 р. - Дрогобич: ДДПУ. - С.10 - 11.

Москаль Д.С., Надточій В.О., Голоденко М.М. Розрахунок термопружних полів у кристалах GaAs, спричинених дією лазерного променя з дифракційною просторовою модуляцією // V Міжнародна наукова конференція “Політ - 2005”. Тез. доп., 12 - 13 квітня 2005 р. - Київ: Нац. авіац. ун-т. - 2005. - С.94.

деформація низькотемпературний кристал германій

Надточій В.О. Мікропластичність алмазоподібних кристалів (Si, Ge, GaAs, InAs). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна, 2006.

Дисертацію присвячено дослідженням низькотемпературної (T<0,35Tпл) мікропластичної деформації монокристалів Si, Ge, GaAs та InAs при малих і середніх рівнях напружень (МПа). Показано, що при переході від високих температур у низькотемпературну область деформації спостерігається зміна фізичного механізму руху дислокацій від ковзання до механізму переповзання, який реалізується у приповерхневих шарах кристалів. Досліджено можливості і особливості ідентифікації дислокацій, створених низькотемпературною деформацією у приповерхневих шарах Ge і Si, різними структурними методами: оптичною і електронною мікроскопією, рентгенівською топографією. Проаналізовано гетерогенний механізм зародження призматичних дислокаційних петель на міжфазовій поверхні включення з матрицею. Одержані нові експериментальні результати впливу дефектів, створених низькотемпературною мікропластичною деформацією, на електричні властивості Ge (провідність, тривалість життя нерівноважних носіїв заряду) та Si p - n - переходів. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дії імпульсного лазерного опромінення на утворення дефектів у приповерхневих шарах Ge. Розроблена нова модель створення упорядкованої структури дислокацій, згідно якої довгі дислокації періодичної структури виникають із сукупності міжвузловинних призматичних петель, зорієнтованих полями деформації і концентрації вакансій.

Ключові слова: германій, дислокація, повзучість, деформація, тривалість життя, рекомбінація, кластер, лазер, індентор.

Nadtochiy V.O. Microplasticity of diamond-like crystals (Si, Ge, GaAs, InAs). - Manuscript.

Thesis for the Doctor's Degree of Physics and Mathematics on speciality 01.04.07. - solid state physics. - Kharkov National Karazin University, Kharkov, Ukraine, 2006.

The thesis is devoted to the investigations of the low-temperature (T<0,35 Tmelt) microplastic deformation of monocrystals Si, Ge, GaAs and InAs at small and average levels of stresses (?400 MPa). It has been indicated, that the change of the physical mechanism of dislocations' movement from sliding to the mechanism of creeping is observed at the transition into the area of deformation from high to low temperatures. This process is realized in near-surface layers of crystals. The possibilities and specifities of identification of the dislocations, created in near-surface layers Ge and Si by low-temperature deformation have been studied with the help of different structural methods: optical and electronic microscopy, X-ray topography. The heterogeneous mechanism of the origin of prismatic dislocations' loops on the interphase surface of inclusion with matrix has been analysed. New experimental results of the defects influence, created through microplastic deformation, on the electric Ge - properties (conductivity, delay time of nonequilibrium change carriers) and Si p - n-junctions have been received. Theoretical and experimental researches of pulse laser irradiation influence on the formation of the defects in near-surface Ge - layers have been conducted (carried out). New model of creation the ordered structure of dislocations has been worked out. According to this model long dislocations of periodic structure occur from the set of interstitial prismatic loops which are oriented by means of fields of deformation and concentration of vacancies.

Key words: germanium, dislocation, creep, deformation, delay time, recombination, cluster, laser, indenter.

Надточий В.А. Микропластичность алмазоподобних кристаллов (Si, Ge, GaAs, InAs). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, Украина, 2006.

Диссертация посвящена исследованиям низкотемпературной (T<0,35Tпл) микропластической деформации монокристаллов Si, Ge, GaAs и InAs при малых и средних уровнях напряжений ( МПа). Показано, что при переходе от высоких температур в низкотемпературную область деформации наблюдается смена физического механизма движения дислокаций от скольжения к механизму переползания, который реализуется в приповерхностных слоях кристаллов. Исследованы возможности и особенности идентификации дислокаций, созданных низкотемпературной деформацией в приповерхностных слоях Ge и Si, разными структурными методами: оптической и электронной микроскопией, рентгеновской топографией. Проанализирован гетерогенный механизм зарождения призматических дислокационных петель на межфазной поверхности включения с матрицей. Выявлена анизотропия микропластичности в кристаллах Ge, которая зависит от выбора направления кристаллографической оси деформирования. Впервые в условиях ступенчатой ползучести Si, Ge, GaAs и InAs удалось разделить два важных дислокационных механизма: механизм истощения, обусловленный движением ростових дислокаций и механизм размножения дислокаций.

Получены новые экспериментальные результаты влияния дефектов, созданных низкотемпературной микропластической деформацией, на электрические свойства Ge (проводимость, время жизни неравновесных носителей заряда) и Si p - n - переходов.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования действия импульсного лазерного облучения на образование дефектов в приповерхностных слоях Ge. Разработана новая модель создания упорядоченной структуры дислокаций, согласно которой длинные дислокации периодической структуры возникают из совокупности межузельных призматических петель, сориентированных полями деформации и концентрации вакансий.

Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования изменения физических параметров поверхности при ее модификации путем механической, механо-термической, ультразвуковой, лазерной обработок и получения полупроводниковых структур с новыми физическими свойствами.

Ключевые слова: германий, дислокация, ползучесть, деформация, время жизни, рекомбинация, кластер, лазер, индентор.

Размещено на Allbest.ru