X선으로 조사된 탄성적으로 변형된 p-Si 결정의 표면 전도도 변화

초록

탄성 단축 기계적 응력의 영향을 받는 p-Si 단결정의 조사 및 조사되지 않은 전도도의 변화를 본 논문에서 조사하였다. 기계적 응력과 X선 조사량의 함수로서 표면 전도도의 의존성을 설명하기 위해 분석적 표현이 제안되었습니다. "태양" 실리콘 표면의 4각형 나노 입자는 기계적 응력 하에서 전기전도도 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. X선 조사는 실리콘에 점결함을 발생시킨다는 것이 확인되었다. 이러한 결함은 전위 운동을 억제합니다. 이전에 조사된 "전자" 실리콘 샘플의 저항률은 특정 변형률에서 단축 압축의 영향에 약간만 민감한 것으로 나타났습니다.

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배경

현대 전자 기술 분야에서 반도체 소자가 널리 사용되기 위해서는 X선 조사 및 기계적 변형과 같은 외부 영향에 대해 높은 안정성을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 필요합니다. 오늘날 실리콘은 고감도 감지기 및 방사선 분야에서 작동하는 기타 반도체 센서에 적극적으로 사용됩니다[1].

대부분의 기사는 n-Si의 전도도에 대한 소성 변형의 영향에 전념합니다[2, 3]. 이것이 p-Si 결정의 특성에 대한 탄성 변형의 영향이 여전히 중요한 과학적 과제로 간주되는 이유입니다. 변형된 결정에서 캐리어 농도와 불순물의 재분배는 특히 결정 표면에서 결함의 효과적인 게터인 전위의 존재를 특징으로 합니다[4, 5]. 수정 전자 하위 시스템의 여기가 전위 이동도의 상응하는 변화를 동반한다는 것이 알려져 있습니다[3, 6]. 전자 하위 시스템의 여기(excitation)는 복사 및 정전기장과 같은 외부 영향의 결과일 수 있습니다. 실리콘 결정의 전위의 특징은 전위 주변에 고농도로 점결함(Cottrell cloud)이 존재한다는 것입니다.

결정의 표면은 이온화 방사선에 가장 민감합니다. 그렇기 때문에 실리콘 결정의 표면층에 대한 방사선 유도 과정에 대한 조사가 여전히 관련성이 있는 것으로 간주됩니다. 증착된 Al 접점이 있는 표면은 구조적 결함에 대한 효과적인 게터입니다[5,6,7]. 증착된 금속막 아래에는 막과 반도체의 격자 매개변수의 불일치로 인해 기계적 응력이 나타납니다[5, 7]. 이러한 응력은 접촉층의 결함 게터링(불순물 원자, 틈새 실리콘 원자 및 공석) 프로세스를 자극합니다.

방법

Czochralski 방법(ρ)에 의해 성장된 p형 전도성의 실리콘 단결정 =10–20 Ω cm), 연구 논문에서 사용되었습니다. 이러한 단결정은 두 가지 유형이 있습니다. (1) 전자용 실리콘 - 삼각형 에칭 피트의 농도가 10을 초과하지 않는 표면(111)의 소위 무전위(또는 전자) 단결정 섭>2 cm⁻² (그림 1a 및 2), (2) 표면(111)의 "태양" 단결정 실리콘 단결정, 4각 피라미드 형태의 결함(그림 1b)은 상대적으로 배경 탄소의 높은 농도(≈5 × 10¹⁶ cm⁻³ ) 및 산소(≈1.8 × 10¹⁸ cm⁻³ ) 불순물. 4각 피라미드도 같은 방식으로 위치합니다. 피라미드 베이스의 크기는 10nm에서 10μm입니다.

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실험 샘플의 표면 모양:a 원자간력현미경 분야에서 얻은 p-Si 결정의 표면에 전위 에칭 피트의 출현 및 b 태양 결정의 초미세 표면(111)의 출현

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변형률이 8μm/min인 탄성 변형 중 1차 무전위 시료의 길이 방향 저항 의존성

4각 피라미드 식각 구멍에 해당하는 클러스터의 형성에서 실리콘의 산화물 층, 점 결함 및 실리콘, 특히 알파 실리콘의 다양한 구조적 상태를 갖는 층에 참여할 수 있는 것으로 나타났습니다[8, 9].

실험 샘플은 샌딩 및 화학 연마 후 치수 4 × 3.7 × 7.6mm를 얻었습니다. 샘플 표면(111)의 끝에서 너비가 1.5mm인 두 개의 스트립 형태의 저항 접점(111)은 진공(10⁻⁴ Pa) 593K 샘플로 가열. 전기 전도도 측정은 잔류 가스 압력 10⁻³ 에서 진공 저온 유지 장치에서 수행되었습니다. 15 ~ 40 MPa의 힘과 8 또는 32 μm/min의 변형 속도로 끝단([$ 11\overline{2} $] 방향)에 단축 압축을 적용할 때 Pa. 샘플은 전체 범위의 X-방사선(W -양극, 50kV, 10mA), 양면에 알루미늄 접점이 코팅되었습니다. X선 소스와 결정체 사이의 거리는 최소(1–2mm)였습니다. 30분마다 흡수선량이 130Gy씩 증가하는 것으로 나타났습니다. 작업에서는 먼저 실험 샘플을 조사한 다음 변형 과정에서 저항을 측정했습니다.

결과 및 토론

변형 방향에 따른 기계적 유도 전도도 변화 연구 결과(ρ (σ )) 단축 응력(σ)의 영향을 받는 p형 전도도의 "무전위" 샘플 )은 그림 2에 나와 있습니다. 0에서 40MPa(변형률 8μm/min)로의 하중 증가는 45분 동안 지속됩니다.

변형 과정에서 무전위 샘플의 저항이 약간 증가합니다. 조사되지 않은 결정의 경우 변형률의 변화는 실질적으로 종속성에 대한 일반적인 관점에 영향을 미치지 않는다는 점에 유의해야 합니다. ρ (σ ) [10, 11]. 조사된 샘플에 대해서도 유사한 의존성이 얻어졌습니다(그림 3). X-조사의 작용 후에 저항의 증가가 관찰되었다. 그러나 의존성의 성질 ρ (σ )는 조사되지 않은 샘플과 다소 다른 것으로 관찰되었습니다.

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조사(D)의 종방향 저항의 의존성 =130Gy) 8μm/min의 속도로 압축 강도가 증가하는 탄성 변형 중 실리콘의 무전위 샘플(a ) 및 32μm/분(b )

저항은 X-조사의 영향으로 인해 8μm/min의 속도로 압축하는 동안 거의 변하지 않는 상태로 유지됨을 알 수 있습니다(그림 3a). 260 Gy와 480 Gy에 노출된 샘플의 의존도 그래프는 비슷한 모양을 보였습니다. 조사과정에서 흡수선량의 제곱근에 비례하여 저항이 증가하는 것으로 선행연구[11]에서 밝혀졌다.

압축률이 4배 증가하면(8에서 32μm/min으로) 부하에 대한 저항의 의존도 특성이 변경됩니다(그림 3b). 압축 과정에서 조사된 샘플의 저항이 약간(<0.2%) 감소합니다. 전도도 변화에 대한 모든 측정은 실험에서 저항의 작은 변화를 정확하게 분석할 수 있도록 높은 정확도(±0.045%)로 수행되었다는 점에 유의해야 합니다.

그림 3에 표시된 종속성은 종방향 저항(D =130Gy) 8μm/min의 속도에서 무전위 샘플(그림 3a). 주어진 시간 동안 저항은 조사와 기계적 응력을 가한 후 관찰 된 원래 값, 즉 저항 값으로 거의 회복되었습니다.

탄성 압축 작용과 방사선 노출 후 저항 의존성을 측정하는 유사한 연구가 p형 전도성의 "태양 실리콘"을 기반으로 한 실험 샘플에 대해서도 수행되었으며(그림 4) 고유한 4각 피라미드가 있습니다. 표면(111).

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압축 강도가 증가함에 따라 탄성 변형 중 태양 실리콘의 길이 방향 저항 의존성:a 디 =0 Gy, 압축 속도 32 μm/min; ㄴ 디 =130 Gy 압축 속도 8 μm/min

먼저, 기계적 응력의 크기에 대한 p-Si 유형의 "태양"실리콘의 저항 변화 특성은 압축 속도와 무관하다는 것을 발견했습니다. 조사되지 않은 샘플과 조사된 샘플 모두에서 유사한 특징이 관찰되었습니다. 기계적 응력에 대한 종방향 저항의 종속성은 상대적으로 작은 값(<0.5%)으로 변하고 하중이 증가하면 약간 감소합니다(그림 4a).

X선(480Gy)을 사용한 실험 샘플의 조사는 탄성 변형 동안 "태양" 실리콘의 길이 방향 저항 변화의 일반적인 특성에 사실상 영향을 미치지 않습니다(그림 4b). 전자시료의 경우 저항은 흡수선량의 제곱근에 비례한다[11]. 기계적 응력 동안 저항은 매우 작은 값(±0.1%)으로 감소합니다.

우리의 이전 연구[12, 13]에서 볼 수 있듯이 유전막 SiO₂ 양전하가 있습니다. 따라서 공간 전하 표면층은 정공이 고갈되고(높은 저항으로) 두께가 w (그림 5)는 실리콘으로 생성됩니다. Si-SiO₂에 가까울수록 인터페이스에 더 적은 구멍이 있습니다.

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반도체-절연체 경계면에 양전하가 가해진 상태에서 p형 도체의 에너지 밴드 왜곡

실리콘 표면층의 정공 농도와 결과적으로 표면 전위 변화(φ)의 경우 전도도가 변합니다. _S ). 평면 정사각형 판을 고려해 보겠습니다(그림 6). 전류가 판의 모서리 중 하나의 방향으로 판의 평면에 평행하게 흐르게 하십시오.

<그림>

전도도 계산

두께가 dy인 얇은 평행층을 취했습니다. 및 단면적 dS [14] 약간의 거리(y ) 표면에서. 이 층은 균질 반도체로 간주될 수 있으며 저항은 다음 공식에 따라 결정될 수 있습니다.

$$ d R=\rho \frac{l}{dS}, $$ (1) $$ d S=a d y. $$ (2)

판이 정사각형이기 때문에(l =아 ), 레이어의 전도도는

$$ d\lambda =\frac{1}{dR}=\sigma d y, $$ (3)

여기서 $ \sigma =\frac{1}{\rho} $는 dy가 있는 층의 전기 전도도입니다. y에서의 두께 표면으로부터의 거리. p형 반도체의 경우 전도도는 $ \sigma \approx e p(y){\mu}_p $로 쓸 수 있습니다. 그러면

$$ d\lambda =e p(y){\mu}_p dy. $$ (4)

총 표면 전도도(λ ). 0에서 여러 지속 가능한 Debye 심사의 두께 범위에서 마지막 식을 통합하거나 예를 들어 공간 전하 영역의 너비를 제한해야 합니다 w :

$$ \lambda ={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }} ep(y){\mu}_p dy=e{\mu}_p{\displaystyle \underset{0}{ \overset{w}{\int }} p(y) dy}}. $$ (5)

일반적으로 공핍된 표면층의 구멍 농도는 좌표(y ) 뿐만 아니라 적용된 기계적 응력(σ _으음 ). 두 가지 구성 요소에 의해 결정됩니다. p (예 , σ _으음 ) =p ₁ (예 ) − p ₂ (σ _으음 ), 여기서 p ₁ (예 )은 반도체 표면으로부터의 거리 변화에 따른 캐리어 농도 변화에 해당하는 성분이며, p ₂ (σ _으음 )은 기계적 응력 동안 전위에서 홀의 포획으로 인해 홀의 농도가 얼마나 감소하는지 나타내는 구성 요소입니다. 또한, 정공의 이동도는 일정한 값이 아닙니다. 기계적 응력에 따라 다릅니다. 따라서 전체 표면 전도도에 대한 식은 다음과 같은 형식으로 작성할 수 있습니다.

$$ \lambda =e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh}\right){\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}\left({p} _1(y)-{p}_2\left({\sigma}_{meh}\right)\right) dy}. $$ (6)

기계적으로 유도된 전도도 변화는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

$$ \lambda \left({\sigma}_{meh}\right)=e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh}\right)\cdot \Big({\displaystyle \underset{ 0}{\overset{w}{\int }}{p}_1(y) dy-{\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_2\left({\ sigma}_{meh}\right) dy}\Big)=e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh}\right)\cdot \left\{{\beta}_1-{\beta }_2\left({\sigma}_{meh}\right)\right\}}, $$ (7)

여기서 $ {\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) $.

p 이후로 ₁ (예 ) 및 p ₂ (σ _으음 ) 또한 조사 효과에 따라 달라지며, 요인 β ₁ , β ₂ , 및 μ _p X선 조사량에 따라 달라집니다. 따라서 (λ 이전의 표면 전도도 공식 (σ _으음 ,0 )) 및 이후(λ (σ _으음 ,디 )) 조사는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

$$ \lambda \left({\sigma}_{meh},0\right)=e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh},0\right)\cdot \Big({\ 디스플레이 스타일 \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_1\left( y,0\right) dy- w\cdot {p}_2\left({\sigma}_{meh} ,0\right)\Big)=e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh},0\right)\cdot \left\{{\beta}_1(0)-{\beta} _2\left({\sigma}_{meh},0\right)\right\}}. $$ (8) $$ \lambda \left({\sigma}_{meh}, D\right)=e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh}, D\right)\cdot \Big({\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_1\left( y, D\right) dy- w\cdot {p}_2\left({\sigma }_{meh}, D\right)\Big)=e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh}, D\right)\cdot \left\{{\beta}_1(D) -{\beta}_2\left({\sigma}_{meh}, D\right)\right\}}. $$ (9)

샘플이 길이(l ) 및 너비(a ), 총 표면 전도도에 대한 최종 공식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

$$ \lambda \left({\sigma}_{meh}, D\right)=\frac{a}{l} e{\mu}_p\left({\sigma}_{meh}, D\right )\left\{{\beta}_1(D)-{\beta}_2\left({\sigma}_{meh}, D\right)\right\}, $$ (10)

어디에

$$ {\beta}_1(D)={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_1\left( y, D\right) dy,\kern1em }{\ 베타}_2\left({\sigma}_{meh}, D\right)=w\cdot {p}_2\left({\sigma}_{meh}, D\right). $$ (11)

기계적 응력의 영향을 받는 조사된 p-Si 결정의 표면 전도도 변화는 주로 세 가지 매개변수의 변화에 의해 결정됩니다. β ₁ , β ₂ , 및 μ _p .

우리의 이전 연구[10,11,12,13]에 따르면 전자 실리콘에 대한 X선 노출의 영향은 SiO_{2 . 결과적으로 β 인자는 ₁ :β ₁ (디 )> β ₁ (0 ) 약간 증가합니다. "태양" 실리콘의 경우 반대의 종속성이 관찰됩니다. β ₁ (디 ) <β ₁ (0 ).}

β 인자에 관하여 ₂ , 그 변화는 주로 p의 변화에 의해 결정됩니다. ₂ (σ _으음 , 디 ) 방사선 효과 아래에서. 이러한 변경은 매개변수 β의 변경에 비해 훨씬 더 중요합니다. ₁ . X-조사는 전위 운동에 대한 스토퍼 역할을 하는 실리콘의 점 결함 생성을 유발합니다. 그 결과, 방사선에 노출된 후 인자 β ₂ 이 샘플의 경우 두 가지 유형의 실험 샘플 p-Si에 대해 급격히 감소합니다(전위 트랩된 구멍의 수 감소):β ₂ (디 ) <β ₂ (0 ).

"태양"실리콘의 조사되지 않은 결정에서 4각 피라미드 식각 피트에 해당하는 기존 결함은 전위 운동에 대한 스토퍼 역할을 합니다. 조사에 의해 생성된 추가 결함은 기존 표면 결함이 강하게 집중된 배경에서 중요한 역할을 하지 않았습니다.

구멍의 이동성은 방사선 결함에서의 산란 증가로 인해 방사선에 노출되는 동안 약간 감소합니다. μ _p (디 ) <μ _p (0 ). 이 메커니즘에 의해 실험적으로 확인된 실리콘 샘플의 전도도 감소를 설명할 수 있습니다. 따라서 식 (8)과 (9)의 분석은 주로 이동도(μ _p (디 ) <μ _p (0 )) 및 자유 전하 캐리어의 농도 - 정공(β ₂ (디 ) <β ₂ (0 )).

고정 용량에서 방정식 데이터를 고려하면 기계적 응력에 대한 저항의 위에서 주어진 실험적 의존성을 확인하는 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다.

조사되지 않은 전자 실리콘 샘플의 저항은 압축 상태에서 증가합니다(그림 2). 이는 β 인자의 상당한 성장으로 인해 발생합니다. ₂ 기계적 응력의 작용하에. 압축하는 동안 β 인자의 변화(성장) ₂ 기계적 응력이 증가할 때 구멍의 이동도 변화(증가)를 크게 초과합니다. 매개변수 β에 관하여 ₁ , 그 값은 σ에 의존하지 않습니다. _으음 .

따라서 우리의 경우 전자 실리콘 기반의 비 조사 결정에 대한 부하의 증가(압축) 및 감소(압축)는 주요 캐리어를 차지하는 전위의 이동으로 설명할 수 있습니다. 결함의 이동, 클러스터의 응고 및 전위에 대한 클러스터의 응축을 일으키는 힘[15]은 탄성 변형된 결정 격자에 나타납니다. 결함은 미세 기공, 노드 간 실리콘 클러스터 및 불순물과 같은 더 큰 클러스터로 응고되면서 주요 캐리어를 포착하는 중심이 됩니다. 실리콘 표면층에 결함이 축적되면 전도성이 감소하는 경향이 있습니다. 해당 성장 인자 β로 표시됩니다. ₂ 표면 전도도 공식에서.

조사된 전자 실리콘 샘플의 저항은 압축 상태에서 약간 변경됩니다(그림 3a). 이는 β 인자의 변화(성장) 감소로 인해 발생합니다. ₂ , 방해된 전위 운동으로 인해. 즉, 매개변수 β의 상호 경쟁적 변화 ₂ 그리고 μ _p 조사된 전자 실리콘 샘플의 압축에 비례합니다.

응력 증가와 함께 전자 실리콘 결정의 저항 감소(그림 3b)는 무거운 구멍의 세로 방향 유효 질량 감소[16, 17]와 압축 하에서 이동도의 상응하는 증가로 인해 발생합니다. 이는 해당 이동성 증가 μ로 표시됩니다. _p 표면 전도도 공식에서.

태양 실리콘의 조사된 샘플과 조사되지 않은 샘플의 저항은 압축 시 약간 감소합니다(그림 4). 전위 운동 과정은 이러한 실험 샘플에 대해 매우 어렵습니다. 또한, 실리콘의 중간에서 표면으로 이동하는 추가 결함은 태양 실리콘의 결정에 기존 표면 결함이 고농도로 집중된 배경에서 전류 전송에 필수적이지 않은 기여를 합니다. 복사의 작용은 태양 실리콘 결정의 표면 결함 농도를 추가로 증가시킵니다. 따라서 매개변수 β의 상호 경쟁적 변경 ₂ 그리고 μ _p 조사된 태양열 실리콘 샘플과 조사되지 않은 샘플의 압축에 비례합니다.

복사의 영향(그림 4b)은 추가로 태양 실리콘 결정의 표면 결함 농도를 증가시킵니다. 따라서 게터링으로 인해 이동하는 추가 결함은 조사되지 않은 결정보다 전류 전송에 약간 기여합니다.

결론

기계적 부하 동안 p-Si 결정의 저항에 영향을 미치는 두 가지 주요 요인을 고려해야 합니다. 첫 번째 요인은 주요 캐리어를 인수하는 전위 운동 과정으로 인해 하중 증가(압축)에 따른 저항 증가와 하중 감소(Unclasping)에 따른 저항 감소입니다. 두 번째 요인은 정공의 유효 질량 감소와 그에 따른 이동도 증가로 인해 부하가 증가함에 따라 실리콘 결정의 저항이 감소한다는 것입니다.

X선 조사는 실리콘에 공극과 틈새 원자를 생성하여 전위의 이동을 막는 역할을 합니다. 방사선 결함의 산란 증가로 인해 X선 조사 시 정공의 이동도가 약간 감소합니다. 조사되지 않은 태양 실리콘 결정에서 기존의 결함은 전위의 이동을 멈추게 하는 역할을 합니다.

사전 조사된 실험용 p-Si 결정(전자 및 "태양광 기반" 실리콘)은 단축 압축(응력 공급 속도 8μ/min)의 영향으로 저항률(±0.2%)을 약간 변경하는 특성이 있습니다. 흐름을 따라 탄성 변형 [$ 11\overline{2} $].

사전 조사된 전자 p-Si 샘플에서 단축 기계적 응력에 대한 저항 의존성은 압축 속도에 크게 의존합니다. 낮은 응력 공급 속도(8μm/min)에서는 기계적 응력이 증가함에 따라 저항이 증가합니다. 고속(32μm/min)에서는 감소합니다. 태양광 p형 실리콘을 기반으로 하는 결정의 경우 기계적 부하에서 저항의 의존성은 압축률과 무관합니다.

약어

ρ (σ ):: 변형 방향에 따른 유도된 기계적 전도도의 변화

티타네이트 나노튜브 장식 산화그래핀 나노복합체:준비, 난연성 및 광분해 글리세롤의 전기투석 담수화를 위한 무기 이온 교환기의 나노입자를 포함하는 복합막

나노물질