WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS

Transkrypt

1 WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS Marek SUPRONIUK 1, Paweł KAMIŃSKI 2, Roman KOZŁOWSKI 2, Jarosław ŻELAZKO 2, Michał KWESTRARZ 3, Michał PAWŁOWSKI 1, (1) Wojskowa Akademia Techniczna, (2) Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, (3) Topsil Semiconductors Materials SA MWK 2014, Waplewo r. 1

2 Plan prezentacji Radiacyjne centra defektowe w monokryształach Si Niestacjonarna spektroskopia fotoprądowa o wysokiej rozdzielczości (HRPITS) w zastosowaniu do badania radiacyjnych centrów defektowych Wyniki badań metodą HRPITS Wspomaganie symulacyjne Podsumowanie 2

3 Radiacyjne centra defektowe w monokryształach Si STD płytkie centra donorowe związane z agregatami atomów tlenu, V 2, V 3, V 4 głębokie centra akceptorowe związane z agregatami luk, C i O i głębokie centra donorowe związane z kompleksami złożonymi z międzywęzłowych atomów węgla i tlenu, I 3, I 4 centra defektowe związane z agregatami międzywęzłowych atomów krzemu Wzrost rezystywności materiału od ~10 3 Wcm do ~10 5 Wcm Wzrost natężenia prądu upływu detektorów Silne zmniejszenie efektywności zbierania ładunku generowanego przez cząstki o wysokiej energii 3

4 Fizyczne podstawy metody HRPITS PRÓBKA (t) U B T j h i(t,t j ) (t) i(t) 0 T j t Relaksacja 0 t i(t ) (t )CE G s = ηα 1 R λp 0 hca G śr = α G s e αx dx G x = G s e αx Idea pomiaru niestacjonarnych zmian konduktywności materiału półizolującego w celu określenia parametrów centrów defektowych. 0 1 α 4

5 Układ pomiarowy i(t ) (t )CE Schemat blokowy układu pomiarowego do badania radiacyjnych centrów defektowych metodą HRPITS ze wspomaganiem symulacyjnym. 5

6 Parametry wyznaczane metodą HRPITS Właściwości centrów defektowych Dwuwymiarowa analiza relaksacyjnych przebiegów fotoprądu za pomocą procedury korelacyjnej i procedury wykorzystującej odwrotne przekształcenie Laplace a. Określenie temperaturowych zależności szybkości emisji nośników z centrów defektowych i aproksymowanie tych zależności równaniem Arrheniusa: e T = AT 2 exp(-e a /kt). Wyznaczenie energii aktywacji E a i parametru A zależnego od przekroju czynnego na wychwyt nośników ładunku. 6

7 Parametry wyznaczane metodą HRPITS Koncentracja centrów defektowych Z amplitudy relaksacyjnego przebiegu fotoprądu: Im (, T) nt 0meTm( T) ( T) ( T) C(, T) qe wyznaczana jest koncentracja nadmiarowych nośników ładunku wychwyconych przez m-tego rodzaju centra defektowe w momencie rozpoczęcia procesu termicznej emisji: n n T 0m N /(1 e qe Tm / G c T 0m Tm Tm avg Tm W celu określenia koncentracji pułapek N Tm należy dla kilku, możliwie małych wartości szybkości emisji e Tm, określić zależność n T0m = f(e Tm ) i w wyniku ekstrapolacji określić wartość n T0m dla e Tm 0. Koncentrację n T0m możemy przedstawić w postaci: 1 C(, T) ( LD) l I 0 Sm( T max ) BEC(, T) Gdzie: S m (T max ) jest wysokością fałdy w widmie korelacyjnym, B exp( etmt1) exp( etmt2), I ph( T), zaś ( T). (1 R) qel ). 7

8 log(et [s -1 ]) Amplituda (j.d.) Wyniki badań metodą HRPITS Korelacyjne prążki widmowe T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 Temperatura (K) Korelacyjne prążki widmowe wyznaczone metodą HRPITS dla radiacyjnych centrów defektowych powstałych w domieszkowanym azotem wysokorezystywnym monokrysztale krzemu wskutek napromieniowania neutronami. Linie ciągłe ilustrują temperaturowe zależności szybkości emisji nośników ładunku dla wykrytych centrów defektowych. 8

9 Wyniki badań metodą HRPITS Właściwości i koncentracja radiacyjnych centrów defektowych Oznaczenie E a (mev) A (K -2 s -2 ) N T (cm -3 ) Identyfikacja* pułapki T (1.5±0.2)x x10 12 e, płytki termodonor T (5.4±0.5)x x10 13 T (4.0±0.5)x x10 13 termodonor lub agregat międzywęzłowych atomów Si termodonor lub agregat międzywęzłowych atomów Si T (1.0±0.1)x x10 13 e, V 3 (2-/-), akceptor T (1.3±0.1)x x10 13 e, V 4 (2-/-), akceptor T (5.7±0.5)x x10 13 e, V 5 (2-/-), akceptor T (9.6±1)x x10 13 e, V 2 (-/0), akceptor T (1.5±0.2)x x10 13 e, V 3 (-/0), akceptor T (1.2±0.1)x x10 13 e, V 4 (-/0), akceptor *Symbolem e zaznaczono pułapki elektronowe, dla których wartości energii aktywacji podane są względem dna pasma przewodnictwa. 9

10 Wspomaganie symulacyjne Poziomy energetyczne Położenie poziomów energetycznych w przerwie zabronionej krzemu związanych z centrami defektowymi, których właściwości przyjęto do obliczeń symulacyjnych.

11 Wspomaganie symulacyjne Przyjęte parametry centrów defektowych Etykieta defektu Rodzaj defektu* Energia aktywacji [ev] Przekrój czynny na wychwyt [cm 2 ] elektronów dziur Identyfikacja SD1 e, płytki donor, E c atom fosforu SD2 e, płytki termodonor, E c agregat atomów tlenu V 3,1 V 2 V 3,2 e, głęboki akceptor e, głęboki akceptor cr, głęboki akceptor E c V 3 (2-/-) E c V 2 (-/0) E c V 3 (-/0) SA h, płytki akceptor E v atom boru * Symbolami e, cr i h zaznaczono odpowiednio pułapki elektronowe, centrum rekombinacyjne i pułapki dziurowe. 11

12 Wspomaganie symulacyjne Równania kinetyki koncentracji swobodnych nośników ładunku dn t dt = e n,sd1 n SD1 t n t c n,sd1 N SD1 n SD1 t + e n,sd2 n SD2 t n t c n,sd2 N SD2 n SD2 t +e n,v3,1 n V3,1 t n t c n,v3,1 N V3,1 n V3,1 t + +e n,v2 n V2 t n t c n,v2 N V2 n V2 t +e n n,v 3,2 V 3,2 t n t c n,v3,2 * * N V3,2 n V3,2 t n t τ n + G dp t dt = e p,v 3,2 N V 3,2 n V3,2 t p t c p,v 3,2 n V 3,2 t + e p,sa N SA n SA t p t c p,sa n SA t p t τ p + G 12

13 Wspomaganie symulacyjne Równania kinetyki koncentracji związanych nośników ładunku dn SD1 t dt dn SD2 t dt = e n,sd1 n SD1 t n t c n,sd1 N SD1 n SD1 t = e n,sd2 n SD2 t n t c n,sd2 N SD2 n SD2 t dn V3,1 dt t = e n,v3,1 n V3,1 t n t c n,v3,1 N V3,1 n V3,1 t dn V2 dt t = e n,v2 n V2 t n t c n,v2 N V2 n V2 t dn V3,2 dt dn SA t dt t = e n n,v 3,2 V 3,2 t n t c n,v3,2 N V3,2 n V3,2 t + e N p,v 3,2 V 3,2 n V3,2 t p t c n p,v 3,2 V 3,2 t = e p,sa N SA n SA t p t c p,sa n SA t 13

14 Wspomaganie symulacyjne Współczynniki równań kinetyki i równanie neutralności elektrycznej Współczynnik szybkości wychwytu c n = σ n v n Współczynnik szybkości termicznej e n = σ n γ n T 2 exp E an k B T, Czas życia nośników τ n,p = 1 N T2 σ n,p v n,p Warunek neutralności elektrycznej n 0 N + SD1 N + SD2 = p 0 N SA N V3,2 N V2 N V3,1 14

15 Wspomaganie symulacyjne Wpływ płytkich donorów na rezystywność materiału nienapromieniowanego 5x10 3 Wcm, ev Otrzymana w wyniku symulacji zależność rezystywności nienapromieniowanego krzemu (skala lewa) oraz zależność położenia poziomu Fermiego dla tego materiału (skala prawa) od koncentracji płytkich centrów donorowych SD1, identyfikowanych z atomami fosforu, przy ustalonych wartościach koncentracji centrów akceptorowych: N SA = cm -3, N V2 = cm -3 i N V3,2 = cm

16 Wspomaganie symulacyjne Wpływ płytkich donorów na rezystywność materiału napromieniowanego 3x10 4 Wcm, 0.49 ev Otrzymana w wyniku symulacji zależność rezystywności napromieniowanego krzemu (skala lewa) oraz zależność położenia poziomu Fermiego dla tego materiału (skala prawa) od koncentracji generowanych radiacyjnie termodonorów (centrów SD2) przy ustalonej wartości koncentracji atomów fosforu N SD1 = cm -3 oraz ustalonych wartościach koncentracji centrów akceptorowych: N SA = cm -3, N V3,1 = cm -3, N V2 = cm -3 i N V3,2 = cm

17 Podsumowanie Metodą HRPITS określono właściwości i wartości koncentracji radiacyjnych centrów defektowych w monokrysztale krzemu, którego rezystywność wskutek napromieniowania neutronami wzrosła od Ωcm do Ωcm. Zaproponowano model umożliwiający symulowanie rezystywności materiału oraz niestacjonarnych zmian koncentracji nadmiarowych nośników ładunku w zależności od koncentracji centrów defektowych o założonych właściwościach. Przeprowadzono obliczenia symulacyjne, w wyniku których określono wpływ koncentracji płytkich donorów, związanych z atomami fosforu, na rezystywność materiału nienapromieniowanego. Stwierdzono, że rezystywność Ωcm uzyskiwana jest przy koncentracji płytkich donorów ~ cm -3, koncentracji płytkich akceptorów związanych z atomami boru równej cm -3, koncentracji luk podwójnych równej cm -3 i koncentracji luk potrójnych równej cm

18 Podsumowanie Przeprowadzono obliczenia symulacyjne, w wyniku których określono wpływ koncentracji płytkich donorów generowanych radiacyjnie na rezystywność materiału napromieniowanego neutronami. Stwierdzono, że rezystywność Ωcm uzyskiwana jest przy koncentracji płytkich donorów ~ cm -3 oraz wartościach koncentracji luk potrójnych w stanie ładunkowym (2-/-), luk podwójnych w stanie ładunkowym (-/0) i luk potrójnych w stanie ładunkowym (-/0) równych odpowiednio cm -3, cm -3 i cm -3. Wyznaczone metodą HRPITS wartości koncentracji tych defektów wynoszą odpowiednio cm -3, cm -3, cm -3 i cm -3. Uzyskano dobrą zgodność wartości eksperymentalnych z wartościami otrzymanymi w wyniku symulacji. 18

19 Podziękowanie Praca powstała w ramach realizacji projektu NitroSil (ID: ), objętego Programem Badań Stosowanych (Umowa Nr PBS2/A9/26/2014), dofinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. 19

20 Dziękuję za uwagę 20