Perubahan Konduktivitas Permukaan Kristal p-Si Terdeformasi Elastis yang Disinari Sinar-X

Abstrak

Perubahan konduktivitas dari mono-kristal p-Si yang diiradiasi dan yang tidak disinari di bawah pengaruh tegangan mekanik uniaksial elastis diselidiki dalam makalah ini. Ekspresi analitis disarankan untuk menggambarkan ketergantungan konduktivitas permukaan sebagai fungsi dari tekanan mekanik dan dosis iradiasi sinar-X. Terlihat bahwa partikel nano 4-sudut pada permukaan silikon "surya" mempengaruhi perubahan elektrokonduktivitas di bawah tekanan mekanis. Ditetapkan bahwa iradiasi sinar-X menyebabkan generasi cacat titik pada silikon. Cacat ini menekan gerakan dislokasi. Ditunjukkan bahwa resistivitas sampel silikon “elektronik” yang sebelumnya disinari hanya sedikit sensitif terhadap pengaruh kompresi uniaksial pada laju deformasi tertentu.

Latar Belakang

Penggunaan perangkat semikonduktor secara luas di bidang teknologi elektronik modern memerlukan penyelidikan bahan semikonduktor baru yang memiliki stabilitas tinggi di bawah pengaruh eksternal seperti iradiasi sinar-X dan deformasi mekanis. Saat ini, silikon secara aktif digunakan dalam detektor yang sangat sensitif dan sensor semikonduktor lainnya yang beroperasi di medan radiasi [1].

Sebagian besar artikel didedikasikan untuk dampak deformasi plastis pada konduktivitas n-Si [2, 3]. Itulah mengapa dampak deformasi elastis pada sifat kristal p-Si masih dianggap sebagai tugas ilmiah yang penting. Redistribusi konsentrasi pembawa dan pengotor dalam kristal terdeformasi sering ditandai dengan adanya dislokasi yang merupakan pengambil cacat yang efektif, terutama pada permukaan kristal [4, 5]. Diketahui [3, 6] bahwa eksitasi subsistem elektronik kristal juga disertai dengan perubahan yang sesuai dalam mobilitas dislokasi. Eksitasi subsistem elektronik dapat sebagai akibat dari pengaruh eksternal, seperti radiasi dan medan elektrostatik. Ciri khas dislokasi dalam kristal silikon adalah adanya cacat titik (awan Cottrell) dengan konsentrasi tinggi di sekitar dislokasi.

Permukaan kristal adalah yang paling sensitif terhadap radiasi pengion. Itulah sebabnya penyelidikan proses radiasi yang diinduksi pada lapisan permukaan kristal silikon masih dianggap relevan. Permukaan dengan kontak Al yang diendapkan adalah pengambil yang efektif untuk cacat struktural [5,6,7]. Di bawah film logam yang diendapkan, tekanan mekanis muncul karena inkonsistensi dalam parameter kisi film dan semikonduktor [5, 7]. Tekanan ini merangsang proses pengambilan cacat (atom pengotor, atom silikon interstisial, dan kekosongan) di lapisan kontak.

Metode

Silikon mono-kristal konduktivitas tipe-p, ditumbuhkan dengan metode Czochralski (ρ = 10–20 Ω cm), digunakan dalam makalah penelitian. Mono-kristal ini terdiri dari dua jenis:(1) silikon untuk elektronik—yang disebut mono-kristal bebas dislokasi (atau elektronik) pada permukaan (111) di mana konsentrasi lubang etsa segitiga tidak melebihi 10² cm⁻² (Gbr. 1a dan 2), dan (2) mono-kristal silikon "solar" pada permukaan (111) di mana cacat dalam bentuk piramida 4-sudut (Gbr. 1b) ditemukan karena relatif konsentrasi besar dari karbon latar belakang (≈5 × 10¹⁶ cm⁻³ ) dan oksigen (≈1.8 × 10¹⁸ cm⁻³ ) kotoran. Piramida empat sudut terletak dengan cara yang sama. Ukuran dasar piramida adalah dari 10 nm hingga 10 μm.

Penampilan permukaan sampel eksperimental:a munculnya lubang etsa dislokasi pada permukaan kristal p-Si yang diperoleh di bidang mikroskop gaya atom dan b penampakan permukaan submikroskopik (111) kristal surya

Ketergantungan tahanan longitudinal sampel bebas dislokasi primer selama deformasi elastis dengan laju deformasi 8 μm/menit

Ditunjukkan [8, 9] bahwa dalam pembentukan kelompok, yang sesuai dengan lubang etsa piramidal 4-sudut dapat berpartisipasi lapisan oksida silikon, cacat titik, dan lapisan dengan keadaan struktural silikon yang berbeda, terutama silikon alfa.

Sampel eksperimental diperoleh dimensi 4 × 3.7 × 7.6 mm setelah pengamplasan dan pemolesan kimia. Kontak ohmik dalam bentuk dua strip dengan lebar 1,5 mm di ujung permukaan sampel (111) dibuat dengan penguapan termal aluminium dalam ruang hampa (10⁻⁴ Pa) pada sampel yang dipanaskan hingga 593 K. Pengukuran konduktivitas listrik dilakukan dalam cryostat vakum pada tekanan gas sisa 10⁻³ Pa dalam penerapan kompresi uniaksial ke ujung (menuju [$ 11\overline{2} $]) dengan kekuatan 15 hingga 40 MPa dan laju deformasi 8 atau 32 μm/menit. Sampel diiradiasi dengan berbagai radiasi X (W -anoda, 50 kV, 10 mA), di kedua sisi, di mana kontak aluminium dilapisi. Jarak antara sumber sinar-X dan kristal minimal (1–2 mm). Ditemukan bahwa dosis yang diserap meningkat sebesar 130 Gy setiap 30 menit. Dalam pengerjaannya, pertama-tama kami menyinari sampel percobaan dan, setelah itu, kami mengukur resistansi dalam proses deformasi.

Hasil dan Diskusi

Hasil penelitian tentang perubahan konduktivitas mekanis terinduksi sepanjang arah deformasi (ρ (σ )) sampel konduktivitas tipe-p “bebas dislokasi” di bawah pengaruh tegangan uniaksial (σ ) ditunjukkan pada Gambar. 2. Peningkatan beban dari 0 hingga 40 MPa (pada laju deformasi 8 μm/mnt) berlangsung selama 45 mnt.

Dalam proses deformasi, resistensi sampel bebas dislokasi sedikit meningkat. Perlu dicatat bahwa dalam kasus kristal non-iradiasi, perubahan laju deformasi praktis tidak berpengaruh pada pandangan umum ketergantungan ρ (σ ) [10, 11]. Ketergantungan serupa diperoleh untuk sampel yang diiradiasi (Gbr. 3). Peningkatan resistensi diamati setelah aksi iradiasi X. Namun, sifat ketergantungan ρ (σ ) diamati agak berbeda dari sampel non-iradiasi.

Ketergantungan tahanan longitudinal dari radiasi (D = 130 Gy) sampel silikon bebas dislokasi selama deformasi elastis dengan kekuatan kompresi yang meningkat pada kecepatan 8 μm/mnt (a ) dan 32 μm/mnt (b )

Dapat dilihat bahwa resistansi tetap hampir tidak berubah (Gbr. 3a) selama kompresi pada kecepatan 8 m/menit karena efek iradiasi X. Grafik ketergantungan sampel yang terpapar 260 dan 480 Gy memiliki tampilan yang serupa. Hal ini ditunjukkan dalam penelitian sebelumnya [11] bahwa resistensi meningkat secara proporsional dengan akar kuadrat dari dosis yang diserap selama proses iradiasi.

Peningkatan empat kali lipat dalam laju kompresi (dari 8 menjadi 32 μm/menit) menyebabkan perubahan sifat ketergantungan resistivitas pada beban (Gbr. 3b). Ada penurunan kecil (<0,2%) pada resistansi sampel yang diiradiasi dalam proses kompresi. Perlu dicatat bahwa semua pengukuran perubahan konduktivitas dilakukan dengan tingkat akurasi yang tinggi (±0,045%) sehingga memungkinkan untuk menganalisis perubahan kecil resistivitas dalam percobaan dengan benar.

Perlu dicatat bahwa ketergantungan, yang ditunjukkan pada Gambar. 3, telah diterima 7 hari setelah pengukuran perubahan resistensi longitudinal (D = 130 Gy) sampel bebas dislokasi dengan kecepatan 8 μm/menit (Gbr. 3a). Selama jangka waktu tertentu, resistansi hampir kembali ke nilai aslinya, yaitu nilai resistansi, yang diamati setelah iradiasi dan penerapan tekanan mekanis.

Studi serupa tentang pengukuran ketergantungan resistensi pada aksi kompresi elastis dan setelah paparan radiasi juga dilakukan (Gbr. 4) untuk sampel eksperimental berdasarkan "silikon surya" dari konduktivitas tipe-p, yang merupakan piramida 4 sudut yang melekat pada permukaan (111).

Ketergantungan ketahanan longitudinal silikon surya selama deformasi elastis dengan kekuatan kompresi yang meningkat:a A = 0 Gy, kecepatan kompresi 32 μm/mnt; b A = 130 Kecepatan kompresi Gy 8 μm/mnt

Pertama-tama, ditemukan bahwa sifat perubahan resistansi silikon "surya" tipe p-Si pada ukuran tegangan mekanis tidak tergantung pada kecepatan kompresi. Fitur serupa diamati pada sampel yang tidak diiradiasi dan diiradiasi. Ketergantungan tahanan longitudinal pada tegangan mekanis berubah dengan nilai yang relatif kecil (<0,5%), dan sedikit menurun di bawah peningkatan beban (Gbr. 4a).

Iradiasi sampel eksperimental dengan sinar-X (480 Gy) hampir tidak mempengaruhi sifat umum dari perubahan resistensi longitudinal silikon “solar” selama deformasi elastis (Gbr. 4b). Sedangkan untuk sampel elektronik, resistansi sebanding dengan akar kuadrat dari dosis serap [11]. Selama tekanan mekanis, resistivitas menurun dengan nilai yang sangat kecil (±0,1%).

Seperti yang ditunjukkan dalam penelitian kami sebelumnya [12, 13], film dielektrik SiO₂ memiliki muatan positif. Oleh karena itu, lapisan permukaan muatan ruang terkuras dalam lubang (dengan resistansi tinggi) dan dengan ketebalan w (Gbr. 5) dibuat dalam silikon. Semakin dekat Si-SiO₂ ke antarmuka, semakin sedikit lubang yang ada.

Distorsi pita energi pada konduktor tipe-p di bawah muatan positif yang disediakan pada antarmuka semikonduktor-isolator

Konsentrasi lubang di lapisan permukaan silikon dan akibatnya konduktivitasnya berubah jika terjadi perubahan potensial permukaan (φ _S ). Mari kita perhatikan pelat persegi planar (Gbr. 6). Biarkan arus mengalir sejajar dengan bidang pelat ke arah salah satu ujungnya.

Perhitungan konduktivitas

Itu diambil lapisan paralel tipis dengan ketebalan dy dan luas penampang dS [14] pada jarak tertentu (y ) dari permukaan. Lapisan ini dapat dianggap sebagai semikonduktor homogen, yang resistansinya dapat ditentukan menurut rumus berikut:

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

Karena pelatnya persegi (l = a ), konduktivitas lapisan adalah

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

di mana $ \sigma =\frac{1}{\rho} $ adalah konduktivitas listrik lapisan dengan dy ketebalan y jarak dari permukaan. Untuk semikonduktor tipe-p, konduktivitas dapat ditulis sebagai $ \sigma \approx e p(y){\mu}_p $. Kemudian kita mendapatkan

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

Mari kita cari total konduktivitas permukaan (λ ). Anda perlu mengintegrasikan ekspresi terakhir dalam rentang dari nol hingga ketebalan beberapa penyaringan Debye yang berkelanjutan, atau, misalnya, membatasi lebar wilayah muatan ruang 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)

Secara umum, konsentrasi lubang di lapisan permukaan yang terdeplesi tidak hanya bergantung pada koordinat (y ) tetapi juga pada tegangan mekanis yang diterapkan (σ _meh ). Ini ditentukan oleh dua komponen:p (y , σ _meh ) = p ₁ (y ) − p ₂ (σ _meh ), di mana p ₁ (y ) adalah komponen yang sesuai dengan perubahan konsentrasi pembawa dengan perubahan jarak dari permukaan semikonduktor dan p ₂ (σ _meh ) adalah komponen yang menunjukkan seberapa besar konsentrasi lubang berkurang karena penangkapannya pada dislokasi selama tekanan mekanis. Selain itu, mobilitas lubang bukanlah nilai yang konstan. Itu tergantung pada tekanan mekanis. Oleh karena itu, ekspresi konduktivitas permukaan total dapat ditulis dalam bentuk berikut:

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

Perubahan konduktivitas yang diinduksi secara mekanis dapat ditulis sebagai berikut:

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

di mana $ {\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}\kanan){\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }} dy=} w\cdot {p}_2\left( {\sigma}_{meh}\kanan) $.

Perlu dicatat bahwa sejak p ₁ (y ) dan p ₂ (σ _meh ) juga tergantung pada efek iradiasi, faktor β ₁ , β ₂ , dan μ _p tergantung pada dosis penyinaran X. Oleh karena itu, rumus konduktivitas permukaan sebelumnya (λ (σ _meh ,0 )) dan setelah (λ (σ _meh ,D )) penyinaran dapat ditulis sebagai berikut:

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

Jika sampel memiliki bentuk persegi panjang dengan panjang (l ) dan lebar (a ), kita dapat menulis rumus akhir untuk konduktivitas permukaan total sebagai berikut:

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

dimana

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

Perubahan konduktivitas permukaan kristal p-Si yang diiradiasi di bawah pengaruh tekanan mekanis terutama ditentukan oleh perubahan tiga parameter:β ₁ , β ₂ , dan μ _p .

Menurut penelitian kami sebelumnya, [10,11,12,13], efek paparan sinar-X pada silikon elektronik disertai dengan sedikit peningkatan muatan positif pada lapisan permukaan dielektrik SiO₂ . Akibatnya, faktor β ₁ :β ₁ (D ) > β ₁ (0 ) sedikit meningkat. Untuk silikon "surya", ketergantungan yang berlawanan diamati:β ₁ (D ) < β ₁ (0 ).

Mengenai faktor β ₂ , perubahannya terutama ditentukan oleh perubahan p ₂ (σ _meh , D ) di bawah pengaruh radiasi. Perubahan ini jauh lebih substansial dibandingkan dengan perubahan parameter β ₁ . iradiasi X memicu generasi cacat titik dalam silikon, yang bertindak sebagai stopper untuk gerakan dislokasi. Akibatnya, setelah terpapar radiasi, faktor β ₂ untuk sampel ini menurun tajam (mengurangi jumlah lubang yang terperangkap dislokasi) untuk kedua jenis sampel eksperimen p-Si:β ₂ (D ) < β ₂ (0 ).

Dalam kristal silikon "surya" yang tidak diiradiasi, cacat yang ada, yang sesuai dengan lubang etsa piramidal 4-sudut, memainkan peran penghenti untuk gerakan dislokasi. Cacat tambahan yang dihasilkan oleh iradiasi tidak memainkan peran penting di latar belakang konsentrasi kuat dari cacat permukaan yang ada.

Mobilitas lubang sedikit berkurang selama paparan radiasi karena peningkatan hamburan pada cacat radiasi:μ _p (D ) < μ _p (0 ). Dengan mekanisme ini dapat dijelaskan penurunan konduktivitas yang dikonfirmasi secara eksperimental dari sampel silikon yang diiradiasi. Dengan demikian, analisis rumus (8) dan (9) menegaskan pertumbuhan resistensi di bawah peningkatan nilai dosis radiasi sinar-X yang diserap terutama dengan mengurangi mobilitas (μ _p (D ) < μ _p (0 )) dan konsentrasi pembawa muatan bebas—lubang (β ₂ (D ) < β ₂ (0 )).

Jika kita mempertimbangkan data persamaan pada dosis tetap, kita dapat menarik kesimpulan berikut, yang mengkonfirmasi ketergantungan eksperimental yang diberikan di atas dari resistensi terhadap tekanan mekanis:

1.
Resistansi sampel silikon elektronik yang tidak diiradiasi meningkat di bawah kompresi (Gbr. 2). Hal ini terjadi karena faktor pertumbuhan yang signifikan β ₂ di bawah aksi tekanan mekanis. Selama kompresi, perubahan (pertumbuhan) faktor β ₂ secara signifikan melebihi perubahan (peningkatan) mobilitas lubang di bawah peningkatan tekanan mekanis. Untuk parameter β ₁ , nilainya tidak tergantung pada σ _meh .

Jadi, dalam kasus kami, peningkatan resistensi (kompresi) dan penurunan (dekompresi) beban untuk kristal non-iradiasi berdasarkan silikon elektronik dapat dijelaskan oleh pergerakan dislokasi, yang mengambil alih pembawa utama. Kekuatan yang menyebabkan pergerakan cacat, koagulasi cluster, dan kondensasi cluster pada dislokasi [15] muncul di kisi kristal yang terdeformasi secara elastis. Cacat menjadi pusat penangkapan pembawa utama sambil menggumpal menjadi kelompok yang lebih besar seperti pori-pori mikro, kelompok silikon ruas, dan kotoran. Akumulasi cacat pada lapisan permukaan silikon cenderung mengurangi konduktivitasnya. Ini ditampilkan oleh faktor pertumbuhan yang sesuai β ₂ dalam rumus konduktivitas permukaan.
2.
Resistansi sampel silikon elektronik yang diiradiasi sedikit berubah di bawah kompresi (Gbr. 3a). Hal ini disebabkan oleh pengurangan perubahan (pertumbuhan) faktor β ₂ , karena gerakan dislokasi terhambat. Dengan kata lain, perubahan parameter yang saling bersaing β ₂ dan μ _p sepadan di bawah kompresi sampel silikon elektronik yang diiradiasi.

Pengurangan resistensi kristal silikon elektronik dalam kombinasi dengan peningkatan tegangan (Gbr. 3b) terjadi karena penurunan massa efektif longitudinal lubang berat [16, 17] dan peningkatan yang sesuai dalam mobilitasnya di bawah kompresi. Ini ditunjukkan oleh peningkatan mobilitas yang sesuai μ _p dalam rumus konduktivitas permukaan.
3.
Resistansi sampel silikon surya yang diiradiasi dan tidak diiradiasi sedikit menurun di bawah kompresi (Gbr. 4). Proses gerak dislokasi sangat sulit untuk sampel percobaan ini. Selain itu, cacat tambahan yang bergerak dari tengah ke permukaan silikon membuat kontribusi yang tidak penting untuk transportasi saat ini dengan latar belakang konsentrasi tinggi cacat permukaan yang ada pada kristal silikon surya. Tindakan radiasi tambahan meningkatkan konsentrasi cacat permukaan kristal silikon surya. Jadi, perubahan parameter yang saling bersaing β ₂ dan μ _p sepadan di bawah kompresi sampel silikon surya yang diiradiasi dan yang tidak diiradiasi.

Efek radiasi (Gbr. 4b) juga meningkatkan konsentrasi cacat permukaan pada kristal silikon surya. Oleh karena itu, cacat tambahan, yang bergerak karena gettering, memberikan kontribusi kecil pada transportasi saat ini daripada untuk kristal yang tidak disinari.

Kesimpulan

Dua faktor utama yang mempengaruhi ketahanan kristal p-Si harus dipertimbangkan selama beban mekanis. Faktor pertama adalah peningkatan resistansi dengan peningkatan beban (kompresi) dan penurunan resistensi dengan penurunan beban (unclasping) karena proses gerakan dislokasi, yang mengambil alih pembawa utama. Faktor kedua adalah penurunan resistensi kristal silikon dengan peningkatan beban karena penurunan massa efektif lubang dan peningkatan yang sesuai dalam mobilitasnya.

Iradiasi sinar-X menyebabkan pembentukan kekosongan dan atom interstisial dalam silikon, yang bertindak sebagai penghambat pergerakan dislokasi. Karena peningkatan hamburan cacat radiasi, mobilitas lubang sedikit berkurang selama penyinaran sinar-X. Dalam kristal silikon surya yang tidak disinari, cacat yang ada berperan sebagai penghambat pergerakan dislokasi.

Kristal p-Si eksperimental pra-iradiasi ( silikon elektronik dan "berbasis surya") memiliki sifat untuk sedikit mengubah resistivitasnya (±0,2%) di bawah pengaruh kompresi uniaksial (kecepatan suplai tegangan 8 μ/menit), dalam deformasi elastis di sepanjang sungai [$ 11\overline{2} $].

Dalam sampel p-Si elektronik pra-iradiasi, ketergantungan resistensi pada tegangan mekanik uniaksial secara signifikan tergantung pada laju kompresi. Pada kecepatan suplai tegangan rendah (8 μm/mnt), resistansi meningkat dengan meningkatnya tegangan mekanis; pada kecepatan tinggi (32 μm/mnt), menurun. Untuk kristal berdasarkan silikon tipe-p surya, ketergantungan resistensi di bawah pembebanan mekanis tidak tergantung pada laju kompresi.

Singkatan

ρ (σ ):: Perubahan konduktivitas mekanis yang diinduksi sepanjang arah deformasi

Titanate Nanotubes Dihiasi Grafena Oksida Nanokomposit:Persiapan, Tahan Api, dan Fotodegradasi Membran Komposit Mengandung Nanopartikel Penukar Ion Anorganik untuk Desalinasi Elektrodialitik Gliserol

bahan nano