Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій

Узагальнено результати досліджень структурних і оптичних властивостей кремнію, опроміненого легкими іонами МеВ-них енергій флюенсами, що перевищували 10¹⁶ см⁻². Структуру опроміненого іонами кремнію умовно поділено на декілька областей (пробігу, гальмування та за межею області гальмування), вигляд...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2021
Hauptverfasser:	Гайдар, Г.П., Пінковська, М.Б., Старчик, М.І.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2021
Schriftenreihe:	Доповіді НАН України
Schlagworte:	Фізика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180389
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій / Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик // Доповіді Національної академії наук України. — 2021. — № 1. — С. 39-50. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-180389
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1803892021-09-21T01:26:04Z Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій Гайдар, Г.П. Пінковська, М.Б. Старчик, М.І. Фізика Узагальнено результати досліджень структурних і оптичних властивостей кремнію, опроміненого легкими іонами МеВ-них енергій флюенсами, що перевищували 10¹⁶ см⁻². Структуру опроміненого іонами кремнію умовно поділено на декілька областей (пробігу, гальмування та за межею області гальмування), вигляд яких визначається типом іонів, їхньою масою, енергією і температурою під час опромінення. Встановлено, що опромінення великими флюенсами легких іонів МеВ-них енергій спричинює утворення в об'ємі кремнію на глибинах до декількох сотень мікрон упорядкованих шарів, пов'язаних із дефектами, властивості яких відрізняються від властивостей матриці. Показано, що за таких умов опромінення характер дефектоутворення (кількість і ширина виявлених упорядкованих лінійних структур та їх розташування відносно області гальмування іонів) залежить від маси й енергії іонів, інтенсивності пучка іонів, температури опромінення і властивостей кристала. Ефект упорядкування дефектів у вигляді ліній напружень та їх поширення за межі області гальмування виявлено при опроміненні кремнію іонами як водню, так і гелію. З’ясовано, що даний ефект залежить від інтенсивності опромінення і виникає тільки при щільності струму пучка меншій, ніж 0,45 мкА/см². Установлено, що для кремнію, опроміненого іонами гелію, в області пробігу іонів характерною є не монокристалічна, а фрагментарна структура, яка має сукупність упорядкованих ліній напружень (по в’язаних із дефектами), паралельних смузі гальмування іонів гелію, а смуга гальмування складається з порожнеч, витравлених як суцільний шар та у вигляді окремих скупчень. Виявлено, що опромінення дислокаційного кремнію іонами дейтерію призводить до руху дислокацій у процесі опромінення та до перетину ними лінії гальмування дейтронів унаслідок утворення дефектів пакування. The results of studies of the structural and optical properties of silicon irradiated with light ions of MeV energies with fluences exceeding 10¹⁶ cm⁻² are generalized. The structure of silicon irradiated with ions is con ventionally divided into several regions (ion path, braking, and outside the braking region), the kind of which is determined by the type of ions, their mass, energy, and temperature during irradiation. It is established that the irradiation with high fluences of light ions of MeV energies causes the formation of ordered layers in the bulk of silicon at depths up to several hundred microns, associated with defects whose properties differ from those of the matrix. It is shown that, under such irradiation conditions, the nature of the defect formation (the number and width of the revealed ordered linear structures and their location relative to the braking region of ions) depends on the mass and energy of ions, the ion beam intensity, the irradiation temperature, and the crystal properties. The effect of the ordering of defects in the form of stress lines and their propagation outside the braking region was discovered, when silicon was irradiated with ions of both hydrogen and helium. It is found that this effect depends on the irradiation intensity and occurs, only when the beam current density is less than 0.45 μA/cm². It is established that, for silicon irradiated with helium ions in the region of ion path, characteristic is not the monocrystalline, but fragmentary structure, which has an aggregate of ordered stress lines (associated with defects) located in parallel to the braking band of helium ions, and the braking band consists of voids etched as a continuous layer and in the form of separate clusters. It is revealed that the irradiation of dis location silicon with deuterium ions leads to the movement of dislocations during the irradiation and to their crossing of the deuteron braking line due to the formation of stacking faults. 2021 Article Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій / Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик // Доповіді Національної академії наук України. — 2021. — № 1. — С. 39-50. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2021.01.039 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180389 621.315.592 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Фізика Фізика
spellingShingle	Фізика Фізика Гайдар, Г.П. Пінковська, М.Б. Старчик, М.І. Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій Доповіді НАН України
description	Узагальнено результати досліджень структурних і оптичних властивостей кремнію, опроміненого легкими іонами МеВ-них енергій флюенсами, що перевищували 10¹⁶ см⁻². Структуру опроміненого іонами кремнію умовно поділено на декілька областей (пробігу, гальмування та за межею області гальмування), вигляд яких визначається типом іонів, їхньою масою, енергією і температурою під час опромінення. Встановлено, що опромінення великими флюенсами легких іонів МеВ-них енергій спричинює утворення в об'ємі кремнію на глибинах до декількох сотень мікрон упорядкованих шарів, пов'язаних із дефектами, властивості яких відрізняються від властивостей матриці. Показано, що за таких умов опромінення характер дефектоутворення (кількість і ширина виявлених упорядкованих лінійних структур та їх розташування відносно області гальмування іонів) залежить від маси й енергії іонів, інтенсивності пучка іонів, температури опромінення і властивостей кристала. Ефект упорядкування дефектів у вигляді ліній напружень та їх поширення за межі області гальмування виявлено при опроміненні кремнію іонами як водню, так і гелію. З’ясовано, що даний ефект залежить від інтенсивності опромінення і виникає тільки при щільності струму пучка меншій, ніж 0,45 мкА/см². Установлено, що для кремнію, опроміненого іонами гелію, в області пробігу іонів характерною є не монокристалічна, а фрагментарна структура, яка має сукупність упорядкованих ліній напружень (по в’язаних із дефектами), паралельних смузі гальмування іонів гелію, а смуга гальмування складається з порожнеч, витравлених як суцільний шар та у вигляді окремих скупчень. Виявлено, що опромінення дислокаційного кремнію іонами дейтерію призводить до руху дислокацій у процесі опромінення та до перетину ними лінії гальмування дейтронів унаслідок утворення дефектів пакування.
format	Article
author	Гайдар, Г.П. Пінковська, М.Б. Старчик, М.І.
author_facet	Гайдар, Г.П. Пінковська, М.Б. Старчик, М.І.
author_sort	Гайдар, Г.П.
title	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій
title_short	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій
title_full	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій
title_fullStr	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій
title_full_unstemmed	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій
title_sort	ефекти впорядкування дефектної структури n-si, індуковані великими флюенсами іонів мев-них енергій
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2021
topic_facet	Фізика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180389
citation_txt	Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій / Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик // Доповіді Національної академії наук України. — 2021. — № 1. — С. 39-50. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT gajdargp efektivporâdkuvannâdefektnoístrukturinsiíndukovanívelikimiflûensamiíonívmevnihenergíj AT pínkovsʹkamb efektivporâdkuvannâdefektnoístrukturinsiíndukovanívelikimiflûensamiíonívmevnihenergíj AT starčikmí efektivporâdkuvannâdefektnoístrukturinsiíndukovanívelikimiflûensamiíonívmevnihenergíj
first_indexed	2025-07-15T20:19:45Z
last_indexed	2025-07-15T20:19:45Z
_version_	1837745608616574976
fulltext	39 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ ФІЗИКА PHYSICS ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1: 39—50 Ц и т у в а н н я: Гайдар Г.П., Пінковська М.Б., Старчик М.І. Ефекти впорядкування дефектної структу- ри n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1. С. 39—50. https://doi.org/10.15407/dopovidi2021.01.039 Актуальність дослідження впливу опромінення іонами напівпровідників зумовлюється ши- роким застосування методів іонно-променевої модифікації матеріалів у мікро- і наноелек- троніці [1]. Використавши контрольоване введення радіаційних дефектів (РД) і провів- ши необхідні термічні обробки, можна істотно змінювати електрофізичні характеристики напівпровідників у широких межах [2]. https://doi.org/10.15407/dopovidi2021.01.039 УДК 621.315.592 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ E-mail: gaydar@kinr.kiev.ua Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій Представлено академіком НАН України О.Є. Бєляєвим Узагальнено результати досліджень структурних і оптичних властивостей кремнію, опроміненого лег- кими іонами МеВ-них енергій флюенсами, що перевищували 1016 см–2. Структуру опроміненого іонами кремнію умовно поділено на декілька областей (пробігу, гальмування та за межею області гальмування), вигляд яких визначається типом іонів, їхньою масою, енергією і температурою під час опромінення. Вста- новлено, що опромінення великими флюенсами легких іонів МеВ-них енергій спричинює утворення в об'ємі кремнію на глибинах до декількох сотень мікрон упорядкованих шарів, пов'язаних із дефектами, власти- вості яких відрізняються від властивостей матриці. Показано, що за таких умов опромінення характер дефектоутворення (кількість і ширина виявлених упорядкованих лінійних структур та їх розташування відносно області гальмування іонів) залежить від маси й енергії іонів, інтенсивності пучка іонів, темпера- тури опромінення і властивостей кристала. Ефект упорядкування дефектів у вигляді ліній напружень та їх поширення за межі області гальму- вання виявлено при опроміненні кремнію іонами як водню, так і гелію. З’ясовано, що даний ефект залежить від інтенсивності опромінення і виникає тільки при щільності струму пучка меншій, ніж 0,45 мкА/см2. Установлено, що для кремнію, опроміненого іонами гелію, в області пробігу іонів характерною є не моно- кристалічна, а фрагментарна структура, яка має сукупність упорядкованих ліній напружень (по в’язаних із дефектами), паралельних смузі гальмування іонів гелію, а смуга гальмування складається з порожнеч, витравлених як суцільний шар та у вигляді окремих скупчень. Виявлено, що опромінення дислокаційного кремнію іонами дейтерію призводить до руху дислокацій у процесі опромінення та до перетину ними лі нії гальмування дейтронів унаслідок утворення дефектів пакування. Ключові слова: кремній, опромінення, іони, упорядкована дефектна структура. 40 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик Застосування іонної імплантації як методу прецизійного локального легування твер- дих тіл забезпечило, по суті, реалізацію переваг планарної технології в мікроелектро ніці. Саме з іонною імплантацією значною мірою пов’язують бурхливий розвиток мікроелектро- ніки в останні десятиліття [3]. Імплантація газів, таких як водень, неон, аргон, гелій, представляє значний інтерес за- вдяки можливості контрольованого введення у матрицю кристала нанопорожнин, здат них гетерувати небажані домішки з об’єму і слугувати центрами релаксації напружень в ото- чуючій ґратці [4, 5]. Умовами отримання впорядкованих структур із нанопорожнин в опро- мінених кристалах є великі флюенси іонів або значна щільність струму іонних пучків. Радіаційний вплив прискорених важких іонів у разі їхньої імплантації в кристал спо- стерігали за допомогою різних методів на глибинах, які в деяких випадках на порядки пе- ревищували проекційні пробіги іонів [6]. Для виявлених ефектів було запропоновано спе- ціальну назву — “ефекти далекодії”. Щодо впливу легких іонів, які не використовуються в технології іонного легування, особливості ефекту далекодії наразі є не зовсім зрозуміли ми. Механізм виникнення його досі не пояснено, оскільки теоретичні моделі взаємодії вип- ромінювання з кристалами, які досить добре описують поведінку окремих РД або їхніх комплексів у твердих тілах, виявилися непридатними у разі опромінення великими флю- енсами високоенергетичних іонів, коли значна кількість дефектів накопичується в обме- женому об’ємі, й потрібно враховувати їхню колективну взаємодію. На даний час опромінення Si іонами кеВ-них енергій найбільш повно вивчено, оскільки протягом багатьох років воно було підґрунтям для отримання різних опто-, нано- та сен- сорних пристроїв, інтегрованих у кремнієві підкладки. Застосування важких іонів з енер- гією декілька сотень МеВ стало перспективним зі створенням потужних прискорювачів, оскільки відкрило широкі можливості для одержання наноструктурованих матеріалів [7]. На сьогодні поведінка нерівноважної системи дефектів у разі тривалого енергетичного оп ромінення остаточно не встановлена, і вплив іонів з енергією порядку десятків МеВ на властивості кремнію залишається найменш вивченим. Мета праці — визначити особливості та умови формування впорядкованої дефектної структури кремнію, індукованої великими флюенсами легких іонів МеВ-них енергій. Можливість створення впорядкованих структур вивчали на монокристалах n-Si з питомим опором ρ = 3÷4 кОм ⋅ см, вирощених методом Чохральського, бездислокацій- них та зі щільністю дислокацій NД ≈ 103 см–2. Опромінення проводили на прискорювачі У-120 ІЯД НАН України іонами водню з енергією 6,8 МеВ, іонами дейтерію з енергією 13,6 МеВ та іонами гелію з енергією 27,2 МеВ флюенсами Ф  5 ⋅ 1016 см–2, варіюючи щільність струму іонного пучка в межах 0,25—3 мкА/см2. Іонами водню та гелію опромі- нювали бездислокаційні кристали, тоді як іонами дейтерію — кристали, що містили дис- локації. Зразки Si завтовшки 1—2 мм були приклеєні до підкладки спеціального тримача, який під час опромінення охолоджували протічною водою. За цих умов зразок також охо- лоджувався по краях поверхні, при цьому його температура не перевищувала 100 °С. У кремнії проекційні (розрахункові) довжини пробігу іонів водню і гелію використа- них енергій є майже однаковими й становлять приблизно Rp ≈ 360 мкм. У разі опромінення Si іонами дейтерію з енергією 13,6 МеВ проекційна довжина пробігу є значно більшою — Rp ≈ 780 мкм. 41ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій Для вивчення топографічного зображення дефектної структури кремнію зразки роз рі- зали вздовж напрямку опромінення на пластини, проводили їх механічну (шліфування, полірування) та хімічну (протравлювання) обробки. Поверхні зразків досліджували на ме- тал-мікроскопі (МІМ-8), за допомогою растрового електронного мікроскопа (JSЕМ- 90) та атом но-силового мікроскопа (AFM). Поперечні перерізи опромінених зразків дос- ліджували методом рентгенівської топографії на просвіт (методом Ланга) [8]. Вимірю- вання спектрів інфрачервоного (ІЧ) поглинання проводили на фур’є-спектрофотометрі FIS-113V. Для оптичних досліджень виготовляли зразки, що мали дві плоскопаралельні поліровані сторони. Завдяки таким комплексним дослідженням проведено порівняння дефектної струк- тури Si в областях пробігу, гальмування та за межею області гальмування для іонів різ- них мас, оскільки характер дефектоутворення в цих областях визначається типом іонів, їхніми масою, енергією і температурою під час опромінення. Виявлено зростання й ус- кладнення ступеню пошкодження кремнію у всіх трьох областях зі збільшенням енергії та маси іонів. Дослідження властивостей Si, опроміненого іонами водню, становить важливий аспект радіаційної фізики напівпровідників. Це, передусім, вивчення радіаційної стійкості крем- нієвих детекторів, які використовують у сучасних прискорювачах. Деградація сонячних батарей на космічних апаратах, здебільшого, зумовлена протонами (ядрами водню), які в значних кількостях випромінює Сонце, особливо під час магнітних бур [9]. Варто врахову- вати, що вихідним матеріалом для одержання високоякісного монокристалічного крем- нію є моносилан (SiH4). Вміст водню в отриманих із такої сировини монокристалах досить великий. Відомо застосування іонів водню для створення деяких типів напівпровіднико- вих приладів із поліпшеними електрофізичними властивостями [10]. Усе це зумовлює ак- туальність проведених досліджень щодо опромінення кремнію іонами водню. У n-Si, опроміненому іонами водню з енергією 6,8 МеВ флюенсом 1017 см-2, на растровій електронній мікрофотографії зразка, вирізаного вздовж напрямку опромінення, виявлено сильно порушений прошарок (лінію напружень) на глибині Rp ≈360 мкм — це лінія галь- мування іонів. Однак спостереження на метал-мікроскопі виявили на цьому самому зразку в центрі опроміненої області (при щільності струму пучка іонів водню  0,45 мкА/см2) дві лінії напружень, пов’язаних із дефектами і паралельних лінії гальмування, на відста- нях 358 (~Rp) і 645 мкм (~2Rp) від поверхні з боку опромінення. Наявність другої лінії на- пружень на відстані подвійного пробігу іонів є проявом ефекту далекодії (поширення де- фектної структури за межі області гальмування). Ширина лінії гальмування іонів стано- вила близько 50–80 мкм, а другої витравленої лінії — близько 20—30 мкм. Виявлено залежність поширення дефектів за лінію гальмування іонів водню від вели- чини щільності іонного струму, тобто від інтенсивності опромінення. При збільшенні щіль- ності струму до 1 мкА/см2 лінія напружень на відстані подвійного пробігу іонів водню у Si не спостерігалася (тобто ефект далекодії не проявлявся). Після відпалу опроміненого іонами водню Si при 500, 550 і 600 °С протягом 0,5 год про- ведено пошарове (з кроком 50 мкм) дослідження дефектів структури методом вибіркового протравлювання і наприкінці пробігу іонів виявлено пухирці розміром 0,2—0,5 мм (рис. 1). Водень, що вивільнявся зі зв’язків Si–H при 600 °С, утворював бульбашки, які росли і лус- 42 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик калися, створюючи порожнечі (пори), розміри і щіль- ність яких визначалися енергією іонів водню та інтен- сивністю опромінення (рис. 1, г). Дослідження ІЧ-спектрів поглинання Si, опроміне- ного іонами водню з енергією 6,8 МеВ, виявило утворен- ня ряду центрів, до складу яких входить водень, локалі- зований на розірваних зв’язках утворених РД. Повний відпал цих центрів відбувався при 600 °С і супроводжувався розриванням Si—Н зв’язків. Слід зазначити, що утворення дефектів структури пухирцевого типу спостерігалося в то- му самому температурному інтервалі 580—600 °С, що й розривання Si—H зв’язків за даними ІЧ-поглинання. У частині Si за областю гальмування іонів водню (>360 мкм), на глибині до 720 мкм, рівній подвоєній довжині пробігу (2Rp), після відпалу при 550—600 °С вибірковим про трав- люванням виявлено дрібні дефекти розміром до десятка мікрон із концентрацією близько 102 см–2. Ефект можна пов’язати із каналюванням деякої частини іонів водню або РД. Після опромінення 13,6 МеВ іонами дейтерію поверхня кремнію виявилася більш по- шкодженою, ніж після опромінення іонами водню. За даними рентгенівської топографії і вибіркового протравлювання виявлено, що найбільші порушення структури (розупоряд- кування) спостерігалися в області гальмування іонів дейтерію, де концентрація дефектів була максимальною. Картину вибіркового протравлювання Si, опроміненого флюенсом іонів дейтерію 1017 см–2, наведено на рис. 2, а—г, де показано модифікацію протравленої смуги напружень уздовж лінії гальмування іонів (1) від краю до центра опроміненої області зразка. В області пробі- гу іонів у Si додаткова протравлена смуга напружень 2 виникала поблизу центра опромі- неної області (на відстані ∼130 мкм від першої смуги і ближче до поверхні), де температу- Рис. 1. Серія (110)-рентгенівських топограм n-Si, опроміненого іонами водню (E = 6,8 МеВ, Ф = 2,1 · 1017 см–2) до (a) та після ізо- хронного відпалу упродовж 0,5 год при Т, °С: б — 500; в — 550; г — 600. Напрямок опромінення перпендикулярний даній площині 43ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій ра зразка при опроміненні була максимальною (рис. 2, г). Ширина цієї смуги стано вила близько 100 мкм. Смуга гальмування іонів (після вибіркового протравлювання) розширювалася та ус- кладнювалася ближче до центра опроміненої області, над нею з боку неопроміненого об’є- му з’являлися дефекти пакування (рис. 2, б, в), які поблизу центра зразка практично під прямим кутом перетинали гальмівну смугу (рис. 2, г). Такий процес, очевидно, пов’язаний із наявністю дислокацій у вихідному Si, їхнім рухом і взаємодією з РД при опроміненні (в умовах підвищеної температури і великих концентрацій радіаційних дефектів). Установ- лено, що в разі опромінення Si іонами дейтерію ширина витравленої гальмівної смуги від краю опроміненої області до її центра варіювалася від 30 до 130 мкм у центрі зразка. Мі- німальні значення цього параметра були отримані на краю зони опромінення, де темпера- тура зразка була нижчою внаслідок охолодження. В області Si за смугою гальмування іонів дейтерію витравлені лінії напружень не ви- никали, тобто при опроміненні дислокаційного кремнію іонами дейтерію ефект далекодії Рис. 2. Мікрофотографії вибіркового протравлювання кремнію, опроміненого іонами дейтерію (Е = = 13,6 МеВ, Ф = 1017 см–2); зміна смуги гальмування 1 від краю до центра (a—г) опроміненої області зразка; перетин смуги гальмування дефектами упаковки і додаткова протравлена лінія 2 напружень (г). Стрілки вказують напрямок опромінення. 44 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик не спостерігався, що може бути пов’язано з високим виділенням енергії і, відповідно, з ви- сокою температурою зразка при опроміненні. Виявлено, що опромінення високоенергетичними іонами дейтерію дозволяє формува- ти тонкі шари шириною до 200 мкм в об’ємі Si на глибинах до 780 мкм, які мають власти- вості, відмінні від властивостей вихідної матриці. Порівнюючи структуру областей пробігу і гальмування в Si, опроміненому іонами водню 6,8 МеВ і дейтерію 13,6 МеВ, можна зробити висновок, що зі збільшенням енергії іонів утворення дефектів в обох областях ускладнюється: з’являється додаткова лінія на- пружень. Сама лінія гальмування має різну ширину: вона вужча по краях і ширша в цент- рі опроміненої області, що, ймовірно, пов’язано зі значним охолодженням по краях крис- тала в процесі опромінення. Структура Si на поверхні, в областях пробігу і гальмування іонів гелію з енергією 27,2 МеВ, виявилася найбільш пошкодженою (порівняно з опроміненням іонами водню і дейтерію), що можна було очікувати, оскільки енергія і маса іонів гелію більші. Рис. 3. Поверхня поперечного перерізу зразка 3 кремнію (див. табл.) після опромінення іонами гелію (Е = 27,2 МеВ, Ф = 1017 см–2) при щільності струму іонного пучка 0,3 мкА/см2: а — растрова електронна мікрофотографія (РЕМ), напрям опромінення [111] паралельний даній площині (вказано стрілкою); б — фотометрiя РЕМ поверхні поперечного перерізу зразка 3, напрям опромінення — вздовж осi абсцис. Відстані ліній напружень (в мкм) від поверхні зразка n-Si, опроміненого 27,2 МеВ іонами гелію флюенсом Ф = 1017 см–2 при щільності струму пучка іонів 0,3 мкA/см2 Номер лінії напруженості 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Металографія 132 242 341 380 423 627 720 764 РЕМ зразок 1 150 282 362 385 636 674 865 зразок 2 145 337 380 666 839 зразок 3 140 327 352 441 637 45ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій Рентгенівська топографія опроміненого зразка Si, знята після шліфування й хімічно го полірування поверхні, показала значні порушення структури в області гальмування іонів на глибині близько 360 мкм. На мікрофотографіях поверхні Si, отриманих за допомогою растрової електронної мікроскопії після опромінення флюенсом 1017 см–2 при зміні щіль- ності струму пучка іонів у діапазоні 0,25–0,45 мкА/см2, впорядковані структури дефектів у вигляді ліній напружень, перпендикулярних напрямку струму іонного пучка, було видно як в області пробігу іонів, так і за лінією гальмування (рис. 3, а). Відстані ліній напружень від опромінюваної поверхні наведено в таблиці. Похибка у визначенні відстані ліній від поверхні зразка з боку опромінення може досягати 20 мкм. Лінії 3 та 4 можуть бути по в’я- зані з кінцем пробігу іонів гелію у Si. Інші лінії показано в області пробігу і за межами об- ласті гальмування іонів у зразку (тобто спостерігали ефект далекодії). На рис. 3, б наведено комп’ютерну фотометрію растрової електронної мікрофотогра- фії (див. рис. 3, а) поверхні поперечного перерізу зразка 3 кремнію, опроміненого іонами гелію, що наочно ілюструє розташування відносно поверхні зразка ліній напружень, по в’я- заних із дефектами, та інтенсивність відповідних ліній. Інтенсивність ліній у відсотках (I) порівняно з фоном відкладено вздовж осі ординат, вздовж осі абсцис — відстань (у мкм) від поверхні зразка з боку опромінення. Додатні значення інтенсивності відповідають світ- лим лініям на рис. 3, а, від’ємні — темним. При з’ясуванні природи дефектів у лініях напружень можна спиратися на наявні не- прямі дані [5]. У цій праці отримано експериментальні результати і проведено розрахун- ки профілів розподілу РД та імплантованих атомів опроміненого іонами Si+, які показали, що в області до ~(1/2)Rp переважає утворення точкових дефектів вакансійного типу, тро- хи ближче до Rp — великих вакансійних кластерів, а дефекти міжвузлового типу спостері- гаються в областях ~(1/2)Rp і ~Rp. Згідно з даними праці [11], РД вакансійного типу генеруються не тільки в області про- бігу іонів гелію, а й за областю їхнього гальмування. Формування впорядкованої дефектної структури при опроміненні Si високоенерге- тичними іонами є чутливим до інтенсивності іонного пучка. Природа і структура дефектів у лініях напружень вимагає подальшого дослідження, проте, зіставляючи їхнє розташуван- ня з даними праці [5], можна припустити, що світлим лініям на рис. 3, а відповідають скупчення дефектів вакансійного типу, темним — міжвузлового. Відповідна структура по- ширюється і за межі області гальмування іонів гелію. Зі збільшенням щільності струму пучка іонів гелію до 1 мкА/см2 лінії напружень з’яв- лялися тільки в області пробігу іонів. Ефект далекодії за цих умов не спостерігався. Кіль- кість ліній напружень в області пробігу іонів визначалася, ймовірно, розподілом темпера- тури за опромінюваною поверхнею, зменшуючись від центра до краю зразка, де було мак- симальне охолодження. Результати металографічного дослідження зразка Si, опроміненого флюенсом 1017 см–2 при щільності струму іонного пучка 1 мкА/см2, після вибіркового протравлювання пока- зали, що область гальмування іонів гелію є сильно пошкодженою областю кремнію, яка складається з порожнеч різних розмірів і форм, витравлених як суцільний шар та у вигляді окремих кластерів, які супроводжуються утвореними дислокаційними петлями. Утворен- ня порожнеч при імплантації високоенергетичних газових іонів, найімовірніше, пов’язане з 46 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик Рис. 4. Поверхня n-Si після опромінення іонами гелію (Е = 27,2 МеВ, Ф = 1017 см2) при щільності стру- му іонного пучка 1 мкA/см2: а — растрова електронна мікрофотографія, 1 — смуга гальмування іонів, на вставках — структура ділянок смуги гальмування (А) та області пробігу (Б), напрямок опромінення вка- зано стрілкою; б — мікропрофілограма, І — область пробігу іонів, ІІ — область за лінією гальмування, вер- тикальна штрихова лінія вказує місце розташування смуги іонного гальмування 1. 47ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій високою концентрацією дефектів вакансійного типу. Вакансії, об’єднуючись у комп- лекси, можуть видаляти напруження в ґратці, зокрема пов’язані з осадженням ростових до- мішок (кисню або вуглецю), і запобігати утворенню дислокацій. Мікрофотографії області пробігу і смуги гальмування іонів гелію у Si, отримані за до- помогою растрового електронного мікроскопа, показали, що структура області пробігу бу- ла не монокристалічною, а фрагментарною і мала сукупність упорядкованих ліній напру- жень (пов’язаних із дефектами), паралельних смузі гальмування 1 іонів гелію (рис. 4, а). Мікропрофілограма поверхні зразка (рис. 4, б) показала розпухання Si в області пробігу іонів гелію. Різниця в профілі опроміненої (І) і неопроміненої (ІІ) частин зразка становила близько 8 мкм. Зображення поверхонь вихідного й опроміненого зразків Si (Ф = 1017 см–2), отримані за допомогою атомно-силового мікроскопа, підтвердили розпухання Si в області пробігу іонів. Шорсткість поверхні зразків Si до опромінення становила близько 0,5 нм, а після опромінення іонами гелію — 20 нм, що свідчило про значну деструкцію приповерх- невого шару кремнію під дією опромінення. При опроміненні Si іонами і водню, і гелію спостерігався ефект упорядкування дефектів у вигляді ліній напружень та їх поширення за межі області гальмування. Цей ефект залежав від щільності струму іонів (від інтенсивності опромінення) і виникав тільки при щільності струму пучка меншій, ніж 0,45 мкА/см2, тобто при більш низьких температурах опромінення. Упорядкованість дефектної системи може вказувати на хвильовий механізм її утво- рення. Хоча відомий автохвильовий механізм [6] не може пояснити далекого і наддалекого поширення впливу опромінення в частину кристала за областю гальмування іонів, оскіль- ки він передбачає стабільність амплітуди поширення концентраційного фронту РД за ра- хунок пластичної деформації. Однак, як показав експеримент, пластична деформація у зразках, опромінених іонами водню, відбувається при вищій температурі (шляхом розриву Si—Н зв’язків при 600 °С), ніж температура зразків під час опромінення. У праці [12] розглядається інший механізм поширення радіаційного впливу, а саме — солітоноподібними імпульсами. У разі великих флюенсів опромінення і високих енергій іонів, використаних у нашій праці, при зіткненні з поверхнею може генеруватися величез- не число солітоноподібних імпульсів. Імовірно, в області гальмування іонів буде також ге- не руватися нова потужна хвиля імпульсів [13, 14]. Завдяки високій швидкості поширення імпульсів у кристалі, перенесення енергії та її перерозподіл в об’ємі кристала можуть реа- лізуватися досить швидко і викликати ефект далекодії. Солітоноподібний механізм по- ширення радіаційного впливу не суперечить іншим відомим хвильовим механізмам, ос- кільки солітони — це певною мірою “частинкоподібні” нелінійні хвилі. Тому, на нашу дум ку, за створення впорядкованої дефектної структури поза межами області гальмування іонів відповідальним є солітонний механізм. В області пробігу іонів упорядковані структури з’являються, ймовірно, внаслідок пе- реміщення фронту рекристалізації сильно розупорядкованих шарів, можливо, аморфних, у процесі високоенергетичного тривалого іонного опромінення. Отже, формування впо- рядкованої дефектної структури може знайти пояснення в рамках синергетичного підхо- ду, як результат процесу самоорганізації дефектів в опроміненому кристалі [15]. Таким чином, експериментально доведено, що в разі високоенергетичного опромінен- ня n-Si іонами водню й гелію великими флюенсами (понад 5 ⋅ 1016 см–2) утворення де фектів 48 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик проходить через стадію впорядкування у вигляді ліній напружень, розташованих перпенди- кулярно до напрямку поширення пучка іонів, а кількість і розташування ліній напружень відносно лінії/смуги гальмування іонів залежить від щільності струму іонного пучка. По- ширення дефектів у вигляді впорядкованих лінійних структур за межі області гальмування іонів свідчило про наявність ефекту далекодії, який спостерігався при щільності струму пучка іонів не більше, ніж 0,45 мкA/см2, і пояснювався реалізацією, ймовірно, солітонного механізму. Виявлено, що в разі опромінення n-Si іонами гелію при щільності струму іонного пуч ка 1 мкA/см2 ефект далекодії не спостерігався, впорядкована дефектна структура по- ширювалася тільки в області пробігу іонів і мала фрагментарний характер, а смуга галь- мування іонів складалася з порожнеч різної форми і розмірів. Припускається, що утворен- ня впорядкованої дефектної структури може бути результатом процесу самоорганізації РД. З’ясовано, що наявність дислокацій у Si в процесі опромінення іонами дейтерію призводить до їхнього руху і перетину лінії гальмування внаслідок утворення дефектів пакування. Установлено, що опромінення легкими іонами МеВ-них енергій викликає утворення в об’ємі n-Si на глибинах до декількох сотень мікрон упорядкованих дефектних шарів, що забезпечує можливість змінювати властивості кремнію. Підводячи підсумок, слід зазначити, що розуміння процесів упорядкованого накопи- чення і розподілу дефектів і домішок при іонному опроміненні є необхідним для контролю їхньої кількості та локалізації. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Кадыржанов К.К. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. Москва: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 640 c. 2. Баранський П.І., Бєляєв О.Є., Гайдар Г.П. Кінетичні ефекти в багатодолинних напівпровідниках. Київ: Наук. думка, 2019. 448 с. 3. Larson L.A., Williams J.M., Current M.I. Ion implantation for semiconductor doping and materials modi- fi cation. Reviews of Accelerator Science and Technology. 2011. 4, № 1. P. 11—40. https://doi.org/10.1142/ S1793626811000616 4. Abrams K.J., Hinks J.A., Pawley C.J., Greaves G., van den Berg J.A., Eyidi D., Ward M.B., Donnelly S.E. Helium irradiation effects in polycrystalline Si, silica, and single crystal Si. J. Appl. Phys. 2012. 111, № 8. P. 083527 (6). https://doi.org/10.1063/1.4705450 5. Kögler R., Peeva A., Werner P., Skorupa W., Gösele U. Gettering centres in high-energy ion-implanted si- li con investigated by point defect recombination. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2001. 175-177. P. 340—344. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(00)00533-4 6. Алалыкин А.С., Крылов П.Н., Шинкевич М.В. Эффект дальнодействия в полупроводниках. Вестн. Удмурт. ун-та. Серия Физика и химия. 2005. № 4. С. 141—152. 7. Дмитрук М.Л., Кондратенко О.С., Пінковська М.Б., Хіврич В.І., Власукова Л.О., Кучинський П.В. Оптичні та сенсорні властивості наноструктурованого кремнію, опроміненого високоенергетичними частинками (протони, α-частинки, важкі іони). Укр. фiз. журн. 2010. 55, № 7. C. 811—819. http://archive. ujp.bitp.kiev.ua/files/journals/55/7/550708pu.pdf 8. Баранський П.І., Бєляєв О.Є., Гайдар Г.П., Кладько В.П., Кучук А.В. Проблеми діагностики реальних напівпровідникових кристалів. Київ: Наук. думка, 2014. 462 с. 9. Xapsos M.A., Barth J.L., Stassinopoulos E.G., Messenger S.R., Walters R.J., Summers G.P., Burke E.A. Char- acterizing solar proton energy spectra for radiation effects applications. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2000. 47, № 6. P. 2218—2223. doi: 10.1109/23.903756 49ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій 10. Козлов В.А., Козловский В.В. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облуче- нии протонами и α-частицами. Физика и техника полупроводников. 2001. 35, № 7. C. 769—795. http:// journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/38565 11. Макаренко Л.Ф., Коршунов Ф.П., Ластовский С.Б., Хиврич В.И. Образование дефектов в запробеж- ной области кремниевых структур, облученных альфа-частицами. Материалы и структуры совре- менной электроники: Сб. научн. трудов III междунар. науч. конф. (Минск, 25–26 сентября 2008). Минск: Изд. центр БГУ, 2008. С. 109—112. 12. Псахье С.Г., Зольников К.П., Кадыров Р.И., Руденский Г.Е., Шаркеев Ю.П., Кузнецов В.М. О воз- можности формирования солитонообразных импульсов при ионной имплантации. Письма в ЖТФ. 1999. 25, № 6. С. 7—12. http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/36341 13. Овчинников В.В. Радиационно-динамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных сред. Успехи физ. наук. 2008. 178, № 9. С. 991— 1001. doi: 10.3367/UFNr.0178.200809f.0991 14. Овчинников В.В. Динамические эффекты дальнодействия при облучении. Радиационные методы обработки материалов. Взаимодействие излучений с твердым телом: Материалы 8-й междунар. конф. (Минск, 23—25 сентября 2009). Минск: Изд. центр БГУ, 2009. С. 113—116. 15. Cелищев П.А. Самоорганизация в радиационной физике. Киев: Аспект-Полиграф, 2004. 239 с. Надійшло до редакції 12.01.2021 REFERENCES 1. Kadyrzhanov, K. K. (2005). Ion-beam and ion-plasma modification of materials. Moscow: Moscow Univer- sity (in Russian). 2. Baranskii, P. I., Belyaev, O. E., Gaidar, G. P. (2015). Kinetic effects in multi-valley semiconductors. Kyiv: Naukova Dumka (in Ukrainian). 3. Larson, L. A., Williams, J. M. & Current, M. I. (2011). Ion implantation for semiconductor doping and mate- rials modification. Reviews of Accelerator Science and Technology, 04, No. 01, pp. 11-40. https://doi. org/10.1142/S1793626811000616 4. Abrams, K. J., Hinks, J. A., Pawley, C. J., Greaves, G., van den Berg, J. A., Eyidi, D., Ward, M. B. & Don- nelly, S. E. (2012). Helium irradiation effects in polycrystalline Si, silica, and single crystal Si. J. Appl. Phys., 111, No. 8, pp. 083527 (6). https://doi.org/10.1063/1.4705450 5. Kögler, R., Peeva, A., Werner, P., Skorupa, W. & Gösele, U. (2001). Gettering centres in high-energy ion-im- planted silicon investigated by point defect recombination. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 175-177, pp. 340-344. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(00)00533-4 6. Alalykin, A. S., Krylov, P. N. & Shinkevich, M. V. (2005). Long-range action effect in semiconductors. Vest- nik Udmurtskogo universiteta. Ceriya Fizika i khimiya, No. 4, pp. 141-152 (in Russian). 7. Dmitruk, N. L., Kondratenko, O. S., Pinkovska, M. B., Khivrich, V. I., Vlasukova, L. A. & Kuchynsky, P. V. (2010). Optical and sensitive properties of nanostructured silicon irradiated with high-energy particles (pro- tons, α-particles, and heavy ions). Ukr. J. Phys., 55, No. 7, pp. 808-816. http://archive.ujp.bitp.kiev.ua/files/ journals/55/7/550708p.pdf 8. Baranskii, P. I., Belyaev, O. E., Gaidar, G. P., Kladko, V. P. & Kuchuk, A. V. (2014). Problems of the diag- nostics of real semiconductor crystals. Kyiv: Naukova Dumka (in Ukrainian). 9. Xapsos, M. A., Barth, J. L., Stassinopoulos, E. G., Messenger, S. R., Walters, R. J., Summers, G. P. & Burke, E. A. (2000). Characterizing solar proton energy spectra for radiation effects applications. IEEE Trans. Nucl. Sci., 47, No. 6, pp. 2218-2223. doi: 10.1109/23.903756 10. Kozlov, V. A. & Kozlovski, V. V. (2001). Doping of semiconductors using radiation defects produced by irra- diation with protons and alpha particles. Semiconductors, 35, No. 7, pp. 735-761. doi: https://doi.org/ 10.1134/1.1385708 11. Makarenko, L. F., Korshunov, F. P., Lastovskiy, S. B. & Khivrich, V. I. (2008, September). The formation of defects behind the ion pass region in the silicon structure irradiated with alpha particles. Proceedings of the IIIrd International Scientific Conference Materials and structures of modern electronics, (pp. 109-112), Minsk: BSU Publishing Center (in Russian). 50 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 Г.П. Гайдар, М.Б. Пінковська, М.І. Старчик 12. Psakh’ye, S. G., Zol’nikov, K. P., Kadyrov, R. I., Rudenskiy, G. E., Sharkeev, Yu. P. & Kuznetsov, V. M. (1999). About the possibility of the formation of soliton-like pulses under ion implantation. Pis’ma v zhurnal tekh- nicheskoy fiziki, 25, No. 6, pp. 7-12 (in Russian). http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/36341 13. Ovchinnikov, V. V. (2008). Radiation-dynamics effects. Potential for producing condensed media with uni- que properties and structural states. Phys.-Usp., 51, No. 9, pp. 955-964 (in Russian). doi: 10.1070/PU2008 v051n09ABEH006609 14. Ovchinnikov, V. V. (2009, September). Long-range dynamic effects under corpuscular irradiation. Radia- tion methods of materials treatment. Proceedings of the 8th International Conference Interaction of ra- diation with solids, (pp. 113-116), Minsk: BSU Publishing Center (in Russian). 15. Celishchev, P. A. (2004). Self-organization in radiation physics. Kyiv: Aspekt-Poligraf (in Russian). Received 12.01.2021 G.P. Gaidar, M.B. Pinkovska, M.I. Starchyk Institute for Nuclear Research of the NAS of Ukraine, Kyiv E-mail: gaydar@kinr.kiev.ua THE ORDERING EFFECTS OF AN n-Si DEFECT STRUCTURE INDUCED BY HIGH FLUENCES OF IONS WITH MeV ENERGIES The results of studies of the structural and optical properties of silicon irradiated with light ions of MeV ener- gies with fluences exceeding 1016 cm–2 are generalized. The structure of silicon irradiated with ions is con ven- tionally divided into several regions (ion path, braking, and outside the braking region), the kind of which is determined by the type of ions, their mass, energy, and temperature during irradiation. It is established that the irradiation with high fluences of light ions of MeV energies causes the formation of ordered layers in the bulk of silicon at depths up to several hundred microns, associated with defects whose properties differ from those of the matrix. It is shown that, under such irradiation conditions, the nature of the defect formation (the number and width of the revealed ordered linear structures and their location relative to the braking region of ions) depends on the mass and energy of ions, the ion beam intensity, the irradiation temperature, and the crystal properties. The effect of the ordering of defects in the form of stress lines and their propagation outside the braking region was discovered, when silicon was irradiated with ions of both hydrogen and helium. It is found that this effect depends on the irradiation intensity and occurs, only when the beam current density is less than 0.45 μA/cm2. It is established that, for silicon irradiated with helium ions in the region of ion path, characte- ristic is not the monocrystalline, but fragmentary structure, which has an aggregate of ordered stress lines (as- sociated with defects) located in parallel to the braking band of helium ions, and the braking band consists of voids etched as a continuous layer and in the form of separate clusters. It is revealed that the irradiation of dis location silicon with deuterium ions leads to the movement of dislocations during the irradiation and to their crossing of the deuteron braking line due to the formation of stacking faults. Keywords: silicon, irradiation, ions, ordered defect structure.

Ефекти впорядкування дефектної структури n-Si, індуковані великими флюенсами іонів МеВ-них енергій

Institution

Ähnliche Einträge