Dampak Radiasi X-ray terhadap Konduktivitas Permukaan Kristal p-Si yang Ditegang Elastis

Abstrak

Perubahan konduktivitas kristal mono p-Si yang diiradiasi dan tidak diiradiasi di bawah pengaruh tekanan mekanik uniaksial elastis telah diselidiki dalam tulisan ini. Ekspresi analitis diusulkan untuk menggambarkan ketergantungan konduktivitas permukaan sebagai fungsi tekanan mekanik dan dosis radiasi X-ray. Diketahui bahwa nanopartikel empat sudut pada permukaan silikon “solar” mempengaruhi perubahan elektrokondktivitas di bawah tekanan mekanik. Terjadi penetapan bahwa radiasi X-ray menyebabkan pembentukan cacat titik dalam silikon. Cacat-cacat ini menekan pergerakan dislokasi. Diketahui bahwa resistivitas sampel silikon “elektronik” yang sebelumnya diiradiasi hanya sedikit sensitif terhadap pengaruh kompresi uniaksial pada laju deformasi tertentu.

Latar Belakang

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

Sebagian besar artikel membahas dampak deformasi plastis terhadap konduktivitas n-Si [2, 3]. Oleh karena itu, dampak deformasi elastis terhadap properti kristal p-Si masih dianggap sebagai tugas ilmiah yang penting. Redistribusi konsentrasi pembawa muatan dan kotoran dalam kristal yang ditransformasi seringkali ditandai keberadaan dislokasi yang merupakan penangkap cacat yang efektif, terutama pada permukaan kristal [4, 5]. Diketahui [3, 6] bahwa ekscitasi subsistem elektronik kristal juga diiringi oleh perubahan yang sesuai pada mobilitas dislokasi. Ekscitasi subsistem elektronik bisa disebabkan oleh pengaruh eksternal, seperti radiasi dan medan elektrostatis. Ciri khas dislokasi dalam kristal silikon adalah keberadaan cacat titik (awan Cottrell) dengan konsentrasi tinggi di sekitar dislokasi.

Permukaan kristal merupakan yang paling sensitif terhadap radiasi ionis. Oleh karena itu, penelitian proses yang diinduksi radiasi pada lapisan permukaan kristal silikon masih dianggap relevan. Permukaan dengan kontak Al yang ditumpahkan merupakan penangkap yang efektif untuk cacat struktural [5,6,7]. Di bawah lapisan logam yang ditumpahkan, tekanan mekanis muncul karena ketidaksesuaian parameter jaringan antara lapisan dan semikonduktor [5, 7]. Tekanan ini merangsang proses penangkapan cacat (atom pengotor, atom silikon interstisial, dan rongga) dalam lapisan kontak.

Metode

Kristal mono silikon tipe konduktivitas p, yang ditanam dengan metode Czochralski (ρ = 10–20 Ω cm), digunakan dalam penelitian ini. Kristal mono ini terdiri dari dua tipe: (1) silikon untuk elektronik—yaitu kristal mono bebas dislokasi (atau elektronik) pada permukaan (111) yang konsentrasi lubang gores segitiganya tidak melebihi 10² cm⁻² (Gambar 1a dan 2), dan (2) kristal mono silikon “solar” pada permukaan (111) yang cacat dalam bentuk piramida empat sudut (Gambar 1b) ditemukan karena konsentrasi kotoran karbon latar belakang yang relatif besar (≈5 × 10¹⁶ cm⁻³) dan oksigen (≈1.8 × 10¹⁸ cm⁻³). Piramida empat sudut terletak dengan cara yang sama. Ukuran alas piramida bervariasi dari 10 nm hingga 10 μm.

Diketahui [8, 9] bahwa dalam pembentukan klaster, yang terkait dengan lubang gores ets piramida empat sudut, dapat terlibat lapisan oksida silikon, cacat titik, dan lapisan dengan berbagai status struktural silikon, khususnya silikon alfa.

Sampel eksperimental diperoleh dengan dimensi 4 × 3,7 × 7,6 mm setelah penggerindaan dan pelesingan kimia. Kontak ohmik dalam bentuk dua strip dengan lebar 1,5 mm di ujung permukaan sampel (111) dibuat melalui penguapan termal aluminium dalam vakum (10⁻⁴ Pa) pada sampel yang dipanaskan hingga 593 K. Pengukuran konduktivitas listrik dilakukan dalam kriostat vakum pada tekanan gas residu 10⁻³ Pa dengan penerapan kompresi uniaksial ke ujung (arah [\( 11\overline{2} \))] dengan daya 15 hingga 40 MPa dan laju deformasi 8 atau 32 μm/min. Sampel-sampel diiradiasi dengan rentang penuh radiasi X (anoda W, 50 kV, 10 mA), di kedua sisi, yang dilapisi kontak aluminium. Jarak antara sumber radiasi X dan kristal adalah minimal (1–2 mm). Diketahui bahwa dosis yang diserap meningkat sebesar 130 Gy setiap 30 menit. Dalam penelitian ini, kami pertama kali mengiradiasi sampel eksperimental dan, setelah itu, mengukur resistansi selama proses deformasi.

Hasil dan Pembahasan

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

Selama proses deformasi, resistansi sampel bebas dislokasi sedikit meningkat. Harus diperhatikan bahwa dalam kasus kristal yang tidak diiradiasi, perubahan laju deformasi secara praktis tidak berpengaruh pada tampilan umum ketergantungan ρ(σ) [10, 11]. Ketergantungan serupa diperoleh untuk sampel yang diiradiasi (Gambar 3). Peningkatan resistansi diamati setelah tindakan radiasi X. Namun, sifat ketergantungan ρ(σ) diamati sedikit berbeda daripada sampel yang tidak diiradiasi.

Terlihat bahwa resistansi tetap hampir tidak berubah (Gambar 3a) selama kompresi pada kecepatan 8 μm/min karena efek radiasi X. Grafik ketergantungan sampel yang diekspos terhadap 260 dan 480 Gy memiliki tampilan yang serupa. Dalam penelitian sebelumnya [11] ditunjukkan bahwa resistansi meningkat proporsional dengan akar kuadrat dari dosis yang diserap selama proses iradiasi.

Peningkatan empat kali laju kompresi (dari 8 hingga 32 μm/min) mengakibatkan perubahan pada sifat ketergantungan resistivitas terhadap beban (Gambar 3b). Ada penurunan kecil (<0,2%) resistansi sampel yang diiradiasi selama proses kompresi. Harus diperhatikan bahwa semua pengukuran perubahan konduktivitas dilakukan dengan tingkat akurasi yang tinggi (±0,045%) sehingga memungkinkan analisis yang benar terhadap perubahan kecil resistivitas dalam eksperimen.

Harus diperhatikan bahwa ketergantungan yang ditunjukkan dalam Gambar 3 diterima 7 hari setelah pengukuran perubahan resistansi longitudinal (D = 130 Gy) sampel bebas dislokasi pada kecepatan 8 μm/min (Gambar 3a). Selama periode waktu yang diberikan, resistansi hampir kembali ke nilai aslinya, yaitu nilai resistansi yang diamati setelah iradiasi dan penerapan tekanan mekanis.

Studi serupa tentang pengukuran ketergantungan resistansi terhadap tindakan kompresi elastis dan setelah paparan radiasi juga dilakukan (Gambar 4) untuk sampel eksperimental berbasis silikon “solar” tipe konduktivitas p, yang memiliki piramida empat sudut pada permukaan (111).

Pertama-tama, ditemukan bahwa sifat perubahan resistansi silikon “solar” tipe p-Si terhadap ukuran tekanan mekanis tidak tergantung pada kecepatan kompresi. Ciri serupa diamati baik pada sampel yang tidak diiradiasi maupun yang diiradiasi. Ketergantungan resistansi longitudinal terhadap perubahan tekanan mekanis berubah dengan nilai yang relatif kecil (<0,5%), dan sedikit menurun di bawah peningkatan beban (Gambar 4a).

Iradiasi sampel eksperimental dengan radiasi X (480 Gy) hampir tidak mempengaruhi sifat umum perubahan resistansi longitudinal silikon “solar” selama deformasi elastis (Gambar 4b). Seperti pada sampel elektronik, resistansi proporsional dengan akar kuadrat dosis yang diserap [11]. Selama tekanan mekanis, resistivitas menurun dengan nilai yang sangat kecil (±0,1%).

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

Konsentrasi lubang dalam lapisan permukaan silikon dan akibatnya konduktivitasnya berubah dalam kasus perubahan potensi permukaan (φ _S ). Mari kita pertimbangkan plat persegi datar (Gambar 6). Biarkan arus mengalir sejajar dengan permukaan plat dalam arah salah satu sisinya.

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

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

Karena platnya 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 ketebalan dy pada jarak y dari permukaan. Untuk semikonduktor tipe p, konduktivitas dapat ditulis sebagai \( \sigma \approx e p(y){\mu}_p \). Lalu kita peroleh

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

Mari kita temukan 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 dalam lapisan permukaan yang dikurangi tidak hanya tergantung pada koordinat (y) tetapi juga pada tekanan mekanis yang diterapkan (σ _meh ). 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 muatan dengan perubahan jarak dari permukaan semikonduktor dan p ₂ (σ _meh ) adalah komponen yang menunjukkan seberapa besar konsentrasi lubang berkurang karena penangkapan mereka pada dislokasi selama tekanan mekanis. Selain itu, mobilitas lubang bukan nilai konstan. Ini bergantung pada tekanan mekanis. Oleh karena itu, ekspresi untuk total konduktivitas permukaan dapat ditulis dalam bentuk berikut:

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

Perubahan konduktivitas yang diinduksi mekanis dapat ditulis sebagai berikut:

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

di mana \( {\beta}_1={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_1(y) dy;\kern1em {\beta}_2\left({\sigma}_{meh}\right)={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_2\left({\sigma}_{meh}\right) dy}}={p}_2\left({\sigma}_{meh}\right){\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }} dy=} w\cdot {p}_2\left({\sigma}_{meh}\right) \).

Harus diperhatikan bahwa karena p ₁ (y) dan p ₂ (σ _meh ) juga bergantung pada efek iradiasi, faktor β ₁ , β ₂ , dan μ _p bergantung pada dosis radiasi X. Oleh karena itu, rumus untuk konduktivitas permukaan sebelum (λ(σ _meh ,0)) dan setelah (λ(σ _meh ,D)) iradiasi dapat ditulis sebagai berikut:

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

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

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

di mana

$$ {\beta}_1(D)={\displaystyle \underset{0}{\overset{w}{\int }}{p}_1\left( y, D\right) dy,\kern1em }{\beta}_2\left({\sigma}_{meh}, D\right)= w\cdot {p}_2\left({\sigma}_{meh}, D\right). $$ (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 radiasi X terhadap silikon elektronik diiringi oleh peningkatan kecil muatan positif dalam lapisan permukaan dielektrik SiO₂. Sebagai hasilnya, faktor β ₁ : β ₁ (D) > β ₁ (0) sedikit meningkat. Untuk silikon “solar”, ketergantungan sebaliknya diamati: β ₁ (D) < β ₁ (0).

Mengenai faktor β ₂ , perubahan utamanya ditentukan oleh perubahan p ₂ (σ _meh , D) di bawah efek radiasi. Perubahan ini jauh lebih signifikan dibandingkan dengan perubahan parameter β ₁ . Radiasi X memicu pembentukan cacat titik dalam silikon, yang bertindak sebagai penghenti gerakan dislokasi. Sebagai hasilnya, setelah paparan radiasi, faktor β ₂ untuk sampel ini secara tajam menurun (mengurangi jumlah lubang yang tertangkap dislokasi) untuk kedua jenis sampel eksperimen p-Si: β ₂ (D) < β ₂ (0).

Dalam kristal silikon “solar” yang tidak diiradiasi, cacat yang ada, yang terkait dengan lubang gores ets piramida empat sudut, berperan sebagai penghenti gerakan dislokasi. Cacat tambahan yang dihasilkan oleh iradiasi tidak memainkan peran yang signifikan di latar konsentrasi tinggi cacat permukaan yang ada.

Mobilitas lubang sedikit berkurang selama paparan radiasi karena peningkatan pencaran pada cacat radiasi: μ _p (D) < μ _p (0). Dengan mekanisme ini dapat dijelaskan penurunan konduktivitas yang dikonfirmasi secara eksperimental pada sampel silikon yang diiradiasi. Dengan demikian, analisis rumus (8) dan (9) mengonfirmasi pertumbuhan resistensi di bawah peningkatan nilai dosis radiasi 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 mengonfirmasi ketergantungan eksperimental resistensi terhadap tekanan mekanis yang diberikan di atas:

1. Resistensi sampel silikon elektronik yang tidak diiradiasi meningkat di bawah kompresi (Gambar 2). Ini terjadi karena pertumbuhan signifikan faktor β ₂ di bawah tindakan tekanan mekanis. Selama kompresi, perubahan (pertumbuhan) faktor β ₂ secara signifikan melebihi perubahan (peningkatan) mobilitas lubang di bawah peningkatan tekanan mekanis. Seperti halnya parameter β ₁ , nilainya tidak bergantung pada σ _meh .

   Jadi, dalam kasus kami, peningkatan resistensi (kompresi) dan penurunan (dekompresi) beban untuk kristal berbasis silikon elektronik yang tidak diiradiasi dapat dijelaskan oleh gerakan dislokasi yang mengambil pembawa muatan utama. Gaya yang menyebabkan gerakan cacat, koagulasi klaster, dan kondensasi klaster pada dislokasi [15] muncul dalam jaringan kristal yang ditransformasi elastis. Cacat menjadi pusat penangkap pembawa muatan utama saat mengagulasi menjadi klaster yang lebih besar seperti mikropori, klaster simpul silikon, dan kotoran. Akumulasi cacat dalam lapisan permukaan silikon cenderung mengurangi konduktivitasnya. Ini ditampilkan oleh pertumbuhan faktor β ₂ yang sesuai dalam rumus konduktivitas permukaan.

2. Resistensi sampel silikon elektronik yang diiradiasi sedikit berubah di bawah kompresi (Gambar 3a). Ini disebabkan oleh pengurangan perubahan (pertumbuhan) faktor β ₂ , karena gerakan dislokasi yang terhalang. Dengan kata lain, perubahan parameter β ₂ dan μ _p yang bersaing saling seimbang di bawah kompresi sampel silikon elektronik yang diiradiasi.

   Pengurangan resistensi kristal silikon elektronik dalam kombinasi dengan peningkatan tekanan (Gambar 3b) terjadi karena penurunan massa efektif longitudinal lubang berat [16, 17] dan peningkatan mobilitasnya yang sesuai di bawah kompresi. Ini ditampilkan oleh peningkatan mobilitas μ _p yang sesuai dalam rumus konduktivitas permukaan.

3. Resistensi sampel silikon solar yang diiradiasi dan tidak diiradiasi sedikit menurun di bawah kompresi (Gambar 4). Proses gerakan dislokasi sangat sulit untuk sampel eksperimental ini. Selain itu, cacat tambahan yang bergerak dari tengah ke permukaan silikon memberikan kontribusi yang tidak signifikan terhadap transportasi arus di latar konsentrasi tinggi cacat permukaan yang ada dalam kristal silikon solar. Tindakan radiasi secara tambahan meningkatkan konsentrasi cacat permukaan dalam kristal silikon solar. Dengan demikian, perubahan parameter β ₂ dan μ _p yang bersaing saling seimbang di bawah kompresi sampel silikon solar yang diiradiasi dan tidak diiradiasi.

   Efek radiasi (Gambar 4b) secara tambahan meningkatkan konsentrasi cacat permukaan dalam kristal silikon solar. Oleh karena itu, cacat tambahan yang bergerak karena penangkapan memberikan kontribusi yang lebih kecil terhadap transportasi arus daripada pada kristal yang tidak diiradiasi.

Kesimpulan

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

Radiasi X menyebabkan pembentukan rongga dan atom interstisial dalam silikon, yang bertindak sebagai penghenti gerakan dislokasi. Akibatnya, karena peningkatan pencaran cacat radiasi, mobilitas lubang sedikit berkurang selama radiasi X. Dalam kristal silikon solar yang tidak diiradiasi, cacat yang ada berperan sebagai penghenti gerakan dislokasi.

Kristal p-Si eksperimental yang sebelumnya diiradiasi (silikon elektronik dan berbasis “solar”) memiliki properti untuk sedikit mengubah resistivitasnya (±0,2%) di bawah pengaruh kompresi uniaksial (kecepatan pasokan tekanan 8 μm/min), dalam deformasi elastis sepanjang aliran [\( 11\overline{2} \)].

Pada sampel p-Si elektronik yang sebelumnya diiradiasi, ketergantungan resistensi terhadap tekanan mekanis uniaksial secara signifikan bergantung pada laju kompresi. Pada kecepatan pasokan tekanan rendah (8 μm/min), resistensi meningkat dengan peningkatan tekanan mekanis; pada kecepatan tinggi (32 μm/min), menurun. Untuk kristal berbasis silikon tipe p solar, ketergantungan resistensi di bawah beban mekanis tidak bergantung pada laju kompresi.

Singkatan

ρ(σ):

Perubahan konduktivitas yang diinduksi mekanis sepanjang arah deformasi