.

Моделювання процесів хемостимульованої міграції атомних часток у приповерхневих шарах напівпровідників: Автореф. дис… канд. фіз.-мат. наук / В.І. Ме

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2520
Скачать документ

Запорізький державний університет

Меняйло Вікторія Іванівна

УДК 539.183.535.376

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ
ХЕМОСТИМУЛЬОВАНОЇ МІГРАЦІЇ
АТОМНИХ ЧАСТОК У ПРИПОВЕРХНЕВИХ
ШАРАХ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Спеціальність: 01.04.10- фізика напівпровідників і диелектриків

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Запоріжжя-1999

Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Запорізькому державному університеті
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, академік АН ВШ України, професор Горбань Олександр Миколайович, перший проректор Запорізького інституту державного і муніципального управління
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, академік АН ВШ України, професор Бажин Анатолій Іванович, зав. кафедрою фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства Донецького державного університету;
кандидат фізико-математичних наук, доцент Запорізького державного технічного університету Корніч Григорій Володимирович
Провідна установа:
Харківський державний університет.

Захист відбудеться “_27_“ _квітня_1999 р. о __15__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.17.051.04. при Запорізькому державному університеті за адресою: 330600, Запоріжжя, вул. Жуковського,66.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького державного університету.
Відгуки на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою, прохання надсилати за вказаною адресою на ім’я вченого секретаря спеціалізованої вченої ради.

Автореферат розісланий “ ____26___“__березня 1999 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К.17.051.04.
кандидат фіз.- мат. наук Швець Ю.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом невпинно зростає інтерес до досліджень атомних і електронних процесів на поверхні напівпровідників при їх взаємодії з атомарними газами, зокрема, з атомарним воднем. Однак, широке практичне застосування атомарного водню для обробки напівпровідникових структур в промисловій електроніці стримується недостатнім розумінням фізики процесів, ефектів і явищ, які супроводжують взаємодію атомарного водню з поверхнею напівпровідників, у тому числі і процесів хемостимульованої міграції атомних часток у приповерхневих шарах напівпровідників.
Хемостимульована дифузія (ХСД) має ряд переваг у порівнянні з традиційними способами прискорення дифузії. Можливість протікання ХСД при низьких температурах (близьких до кімнатної) призводить до значного поліпшення багатьох електричних та структурних властивостей напівпровідників. ХСД може призводити до такого розподілу дифузійних профілей, який не може бути одержаний у звичайних умовах при термічній дифузії, що в свою чергу може сприяти підвищенню якості напівпровідникових приладів та інтегральних схем. Тому, вивчення цього явища становлює великий практичний інтерес, але проводилося воно лише на експериментальному рівні. На підставі експериментальних досліджень були визначені коефіцієнти ХСД атомів різних елементів у германії та у сполученнях А3В5 при їх взаємодії з атомарним воднем та деякі інші характеристики цього процесу, однак математичне обгрунтування експериментальних даних було фактично відсутнім. Вирішенню цього питання і присвячена робота.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тем науково-дослідної роботи кафедри твердотільної електроніки та мікроелектроніки Запорізького держуніверситету: “Дослідження хемостимульованих явищ і розробка на їх підставі фізичних основ технологічних процесів нанотехнології”, “Фізичні процеси на поверхні твердих тіл і тонких плівок, створення аналітичної бази та розробка основ нанотехнології”, “Фізико-хімічні основи контрольованої модифікації властивостей поверхневих шарів твердих тіл під дією теплових та прискорених атомних часток”.
Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у визначенні механізмів хемостимульованої дифузії у напівпровідниках при їх взаємодії з атомарним воднем та одержанні аналітичних виразів коефіцієнтів ХСД для кожного механізму на підставі моделювання процесів, що супроводжують цю взаємодію.
Відповідно до поставленої мети були визначені задачі роботи:
– моделювання процесу дифузії атомарного водню у напівпровідниках з урахуванням поверхневих та об’ємних реакцій (хемосорбції і рекомбінації) та одержання аналітичних виразів для швидкостей протікання цих реакцій;
– визначення можливих механізмів хемостимульованої дифузії у напівпровідниках;
– моделювання процесів утворення дефектів (вакансій та міжвузловинних атомів) у напівпровідниках під дією енергії поверхневих хімічних реакцій та одержання аналітичних виразів для швидкостей протікання цих процесів;
– моделювання процесів хемостимульованої дифузії у приповерхневих шарах напівпровідників та одержання аналітичних виразів коефіцієнтів ХСД для кожного з запропонованих механізмів.
Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній запропоновано математичний опис процесів, що протікають у приповерхневих шарах напівпровідників при їх взаємодії з атомарним воднем, виконаний на підставі відомих модельних уявлень процесів утворення дефектів та дифузії у напівпровідниках, внаслідок чого:
– одержані аналітичні вирази для швидкостей хемостимульованого утворення точкових дефектів у напівпровідниках (і їх кількісні оцінки для кристалів германію та арсеніду галію), що дозволяють також, визначати такі характеристики як швидкість розпилення речовини з поверхні, концентрацію точкових дефектів у приповерхневих шарах напівпровідників, коефіцієнти ХСД;
– одержані аналітичні вирази для коефіцієнтів ХСД (і їх кількісні оцінки для індію, фосфору, алюмінію в арсениді галію та міді, золота у германії), що дозволяють визначати такі характеристики як дифузійну глибину проникнення домішки в об’єм кристала, її концентрацію, а також, проводити порівняльний аналіз різних механізмів ХСД з метою встановлення переважного механізму ХСД у кожному конкретному випадку;
– аналітичним і графічним способами визначена ефективність того чи іншого механізму ХСД в залежності від виду дифундуючої домішки та умов проведення експерименту. Показано, що при температурах Т=300400 К та концентрації атомарного водню у газовій фазі nH=10201021м-3 для дисоціативно-дифундуючих домішок переважним механізмом ХСД є механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень (мідь, золото у германії), для домішок заміщення- механізм генерації надлишкових вакансій (індій, фосфор в арсениді галію) та механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень (алюміній в арсениді галію).
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони розширюють уявлення про суть механізмів фізичних процесів, що відбуваються на поверхні і в приповерхневих шарах напівпровідників під впливом активних газових часток, і можуть бути використані при подальшому вивченні явища ХСД як для визначення кількісних характеристик цього процесу і процесів, його супроводжуючих, так і для вибору оптимальних умов, за яких найбільш ефективно протікає хемостимульована дифузія.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були викладені у доповідях автора на міжнародній нараді “Діагностика поверхні іонними пучками” (м.Запоріжжя, 1992 р.), на наукових конференціях викладачів і студентів Запорізького держуніверситету (1993-1994рр., 1998р.), на першій міжнародній науково-технічній конференції “Матеріалознавство алмазоподібних і халькогенідних напівпровідників” (м.Чернівці, 1994 р.), на семінарах кафедри твердотільної електроніки та мікроелектроніки Запорізького держуніверситету (1992-1998 рр.)
Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел, що включає 188 назв. Дисертація викладена на 142 сторінках друкованого тексту і містить 21 малюнок та 12 таблиць. Її повний обсяг складає 184 сторінки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обгрунтовано актуальність теми, її зв’язок із науково-дослідними програмами, сформульовані мета і задачі роботи, її наукова новизна та практичне значення.
1. Загальна характеристика процесів, що протікають у системі атомарний газ –
тверде тіло (огляд літератури)
У першому розділі роботи був зроблений аналіз розподілу енергії, що виділяється при хемосорбції та рекомбінації вільних радикалів на поверхні твердих тіл, поміж різними підсистемами кристала і розглянуті процеси, які відбуваються у напівпровідниках при передачі енергії електронній, фононній підсистемам кристала та окремим поверхневим атомам чи іонам кристалічної гратки, а також, наведені деякі кількісні характеристики (енергія адсорбції, енергія рекомбінації, коефіцієнт адсорбції, коефіцієнт рекомбінації) процесів взаємодії атомарного водню з поверхнею напівпровідників.
2. Моделювання процесу дифузії атомарного водню у напівпровідниках
На початку другого розділу роботи було виконано аналіз описаних у літературі моделей процесу дифузії атомарного водню у твердих тілах і встановлено, що їхнім недоліком є наступне: увага в них приділяється або лише впливу поверхневих реакцій, або лише таких реакцій, що протікають в об’ємі твердого тіла. Якщо припустити, що на швидкість протікання хемостимульованої дифузії можуть впливати як процеси хемосорбції і рекомбінації на поверхні кристала, так і процеси рекомбінації атомів водню у приповерхневих шарах твердого тіла, то завдання буде полягати в тому, щоб описати процес дифузії водню з одночасним урахуванням як поверхневих, так і об’ємних реакцій.
Для швидкості змінення поверхневої концентрації атомів водню N запишемо таке рівняння:

( 2.1 )

– де s – коефіцієнт адсорбції;
γ – коефіцієнт рекомбінації;
μ – кількість атомів водню, що вдаряються об одиницю площі поверхні за одиницю
часу;
N*- кількість місць, що доступні для адсорбції атомів на одиниці площі поверхні.
Переходячи до відносних величин

( 2.2 )
( 2.3 ),

одержимо: ( 2.4 )

Рівняння (2.4) за початковою умовою

( 2.5 )

має рішення: ( 2.6 )

– де ( 2.7 )
( 2.8 )

За умови відсутності енергії активації адсорбції рівновага на поверхні твердого тіла встановлюється майже миттєво і можна вважати

( 2.9 )

Тоді, для кількості актів адсорбції та рекомбінації атомів водню на одиниці площі поверхні за одиницю часу одержимо такі вирази:

( 2.10 )
( 2.11 )

Вираз (2.8) для відносної поверхневої концентрації атомів водню встановлює першу межову умову до рівняння дифузії водню в об’єм кристала. Але тут необхідно врахувати той факт, що існує рівновага між воднем, що знаходиться на поверхні твердого тіла та воднем, розчинним у його приповерхневому шарі:

( 2.12 )

– де С0 – концентрація атомів водню у приповерхневому шарі твердого тіла;
b – константа рівноваги “об’єм-поверхня”;
n* – кількість місць, що доступні для розчинних атомів в одиниці об’єму.
Враховуючи, що процес дифузії атомарного водню в об’єм напівпровідника супроводжується його одночасною рекомбінацією у молекули, якщо поблизу немає розірваних зв’язків, одержимо таку задачу для дифузії атомарного водню в об’ємі напівпровідника:


 ( 2.13 )

початкові умови: ( 2.14 )
( 2.15 )
межові умови: ( 2.16 )
( 2.17 )

– де , – концентрації атомарного та молекулярного водню в об’ємі кристала;
– коефіцієнт дифузії атомарного водню;
r0 – радіус захоплення;
l – товщина кристала.
Розв’язок системи рівнянь (2.13) для типових часів обробки зразків в атомарному водні (t~103 c) має вигляд:

( 2.18 )
– де ( 2.19 )

Підставляючи вираз (2.18) у друге рівняння системи (2.13), одержимо вираз для швидкості утворення молекулярного водню в об’ємі кристала, яка дорівнює кількості актів рекомбінації атомів водню в одиниці об’єму твердого тіла за одиницю часу:

( 2.20)

За допомогою формул (2.10,2.11,2.20) були розраховані частоти актів адсорбції та рекомбінації атомів водню на поверхні германія, а також, частота актів рекомбінації атомів водню в його приповерхневому шарі. Показано, що рекомбінація атомів водню у приповерхневих шарах напівпровідників не може суттєво впливати на процеси хемостимульованої дифузії в них.
3. Аналіз механізмів хемостимульованої дифузії у напівпровідниках
У третьому розділі роботи були розглянуті відомі механізми прискорення дифузії у напівпровідниках і, враховуючи особливості хемостимульованої дифузії, визначені можливі механізми її протікання. Такими механізмами є:
– при передачі енергії хемосорбції і рекомбінації атомній підсистемі кристала: механізм генерації надлишкових вакансій, механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень, механізм додаткової кількості перескоків;
– при передачі енергії хемосорбції і рекомбінації електронній підсистемі кристала: рекомбінаційно-прискорений механізм, іонізаційно-прискорений механізм, механізм перезарядження, механізм захоплення електронним “вітром”;
– при передачі енергії хемосорбції і рекомбінації фононній підсистемі кристала – механізм захоплення фононним “вітром”.
4. Моделювання процесів утворення дефектів у напівпровідниках під дією енергії
поверхневих хімічних реакцій
На початку четвертого розділу роботи наведена загальна класифікація моделей радіаційностимульованого утворення дефектів у напівпровідниках і показано, що у випадку хемостимульованого утворення дефектів можуть бути реалізовані лише “теплові моделі”.
Хемостимульований відрив атома від свого положення рівноваги може відбуватися внаслідок локального розігріву гратки у ділянці, де стався акт хемосорбції (рекомбінації), температура якої ТЛ визначається енергією W, що виділяється в одному акті хемосорбції (рекомбінації).
Розглянемо такі моделі:
а) квазірівноважна модель, суть якої полягає в тому, що для ймовірності хемостимульованого відриву атома від свого положення рівноваги у квазірівноважному наближенні можна одержати вираз, аналогічний виразу для ймовірності термічного відриву атома від свого положення рівноваги:

( 4.1 )

– де 0 – частота коливань атома у кристалі;
τ – час, за який відбувається розсіювання енергії в об’ ємі кристала;
r – радіус розігрітої ділянки на поверхні;
q – енергія розриву поверхневих зв’язків.
Тоді, для швидкості розпилення атомів з поверхні твердого тіла (кількості атомів, що розпиляються з одиниці площі поверхні за одиницю часу, а отже, і для швидкості поверхневої генерації надлишкових вакансій) при протіканні на ній реакцій хемосорбції та рекомбінації одержимо такий вираз:

( 4.2 )

– де , – локальні температури, значення яких відповідають значенням енергій,
що виділяються при адсорбції та рекомбінації.
А для швидкості поверхневої генерації міжвузловинних атомів (кількості атомів, що зміщуються у міжвузловини з одиниці площі поверхні за одиницю часу) з урахуванням того, що енергія, необхідна для утворення міжвузловинного атома, повинна бути не менша, ніж 2q, одержимо такий вираз:

( 4.3 )

б) модель ідеального газу, суть якої полягає в тому, що ділянка кристала, де стався акт хемосорбції (рекомбінації), розглядається як ідеальний газ с температурою ТЛ. У цьому випадку ймовірність відриву атома від свого положення рівноваги слід розраховувати на підставі локального розподілу Максвела атомів гратки усередині цієї ділянки:

( 4.4 )

– де n – концентрація атомів в об’ємі кристала;
М – маса атома.
Тоді, для швидкості розпилення атомів з поверхні твердого тіла і для швидкості поверхневої генерації міжвузловинних атомів одержимо такі вирази:

( 4.5 ) ( 4.6 )

в) модель локалізованого  – спалаху, суть якої полягає в тому, що у ділянці кристала, де стався акт хемосорбції (рекомбінації), виникає миттєвий сплеск температури, яка потім зменшується відповідно до закону теплопровідності. Вираз для ймовірності відриву атома від свого положення рівноваги у цьому випадку можна одержати шляхом визначення “температури” збудженої ділянки кристала:

( 4.7 )

– де  – коефіцієнт температуропровідності;
с – питома теплоємкість;
 – густина речовини.
Тоді, для швидкості розпилення поверхневих атомів та швидкості поверхневої генерації міжвузловинних атомів одержимо такі вирази:

( 4.8 )
( 4.9 )

За допомогою формул (4.2,4.3,4.5,4.6,4.8,4.9) були розраховані значення швидкості розпилення миш’яку з поверхні арсеніду галію та швидкості утворення міжвузловинних атомів у германії під дією атомарного водню, які добре узгоджуються зі значеннями, одержаними на підставі існуючих експериментальних даних, а також, побудовані графіки залежності цих величин від температури та концентрації атомарного водню у газовій фазі, внаслідок чого було показано, що всі три запропоновані моделі адекватно описують процеси утворення дефектів у напівпровідниках під дією енергії поверхневих хімічних реакцій, а тому, при подальших розрахунках можна використовувати будь-яку з них.
5. Моделювання механізмів хемостимульованої дифузії у напівпровідниках
Спочатку розглянемо механізми ХСД, що пов’язані з передачею енергії хемосорбції і рекомбінації атомній підсистемі кристала:
а) механізм генерації надлишкових вакансій.
При передачі енергії хемосорбції та рекомбінації поверхневим атомам кристала можливе їх розпилення з поверхні напівпровідників. Цей процес супроводжується появою надлишкових вакансій у приповерхневих шарах твердого тіла, що в свою чергу повинно сприяти прискоренню дифузії домішок заміщення, тому що коефіцієнт дифузії у цьому випадку є пропорційним до концентрації вакансій:

( 5.1 )

– де – атомна частка рівноважних вакансій в об’ємі кристала;
СV – атомна частка надлишкових вакансій;
Еm – енергія міграції атома домішки.
Будемо вважати, що .
Запишемо для швидкості утворення надлишкових вакансій (у відносних координатах) під дією енергії поверхневих хімічних реакцій таке рівняння:

( 5.2 )

– де DV – коефіцієнт міграції вакансій;
t – час, протягом якого відбувається взаємодія атомарного газу з поверхнею
кристала.
Розв’язок рівняння (5.2) за початковою умовою

( 5.3 )

має вигляд: ( 5.4 )

Тоді, підставляючи (5.4) у (5.1), для коефіцієнту ХСД можна одержати такий вираз:

( 5.5 )

б) механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень.
При передачі енергії хемосорбції та рекомбінації поверхневим атомам кристала можливе їх зміщення у міжвузловини, що повинно сприяти прискоренню дифузії дисоціативно-дифундуючих домішок, оскільки ефективний коефіцієнт дифузії таких домішок визначається часткою атомів у міжвузловинах:

( 5.6 )

– де Di – коефіцієнт міжвузловинної дифузії;
Сі – концентрація атомів домішки у міжвузловинах;
С – загальна концентрація атомів домішки.
Запишемо для швидкості хемостимульованого утворення міжвузловинних атомів домішки Сі таке рівняння:

( 5.7 )

Перший член правої частини (5.7) описує швидкість введення міжвузловинних атомів в об’єм кристалічної гратки під дією енергії поверхневих хімічних реакцій, яка характеризується швидкістю поверхневої генерації міжвузловинних атомів. Інакше кажучи, кількість міжвузловинних атомів домішки В, введених в одиницю об’єму з одиниці площі поверхні за одиницю часу, дорівнює кількості поверхневих атомів , що зміщуються з вузлів у міжвузловини з одиниці площі поверхні за одиницю часу:

( 5.8 )

– де S* , V* – одинична площа та одиничний об’єм відповідно.
Загальна кількість атомів домішки С, введених в об’єм кристала за час t, визначиться як

( 5.9 )

Другий член правої частини (5.7) описує швидкість рекомбінації міжвузловинних атомів і вакансій.

– ( 5.10 )

константа швидкості рекомбінації.
Розв’язок рівняння (5.7) за початковою умовою

( 5.11 )

має вигляд: ( 5.12 )

– де ( 5.13 )
( 5.14 )

Підставляючи (5.9) і (5.12) у (5.6), одержимо для коефіцієнту ХСД такий вираз:

( 5.15 )

в) механізм додаткової кількості перескоків.
У загальному випадку вираз для коефіцієнту дифузії має вигляд:

( 5.16 )

– де а – довжина дифузійного стрибка;
 – частота перескоків атома у сусіднє положення рівноваги.
При передачі енергії хемосорбції та рекомбінації поверхневим атомам кристала можливий їх перескок у сусіднє положення рівноваги. Для ймовірності цього перескоку в одному акті хемосорбції (рекомбінації) можна одержати вираз, аналогічний виразу (4.7):

( 5.17 )

– де Еа – енергія активації дифузії.
Тоді, для коефіцієнта ХСД, враховуючи, що на поверхні твердого тіла протікають як реакції адсорбції, так і реакції рекомбінації, одержимо такий вираз:

( 5.18 )

У табл. 5.1 наведені результати розрахунків коефіцієнтів ХСД деяких елементів у напівпровідниках під дією атомарного водню при певних експериментальних умовах (температурі Т і концентрації атомарного водню у газовій фазі nH) за запропонованими механізмами та їх порівняння з існуючими експериментальними даними.
Таблиця 5.1
Значення коефіцієнтів ХСД DХСД, м2с-1 у деяких системах,
розраховані за різними механізмами, та їх експериментальні значення

Система Т, К nH, м-3 Механізми ХСД Експери-ментальне значення
генерації надлишкових вакансій міжвузловинновакансійних перетворювань додаткової
кількості перескоків
In в GaAs 400 1020 4,410-16 8,210-20 2,810-22 8,910-17
P в GaAs 400 1020 1,310-18 8,310-20 2,710-22 10-1810-19
Al в GaAs 350 1020 2,210-31 8,110-21 2,310-22 3,110-20
Cu в Ge 330 1021 2,310-15 2,210-14 3,010-21 2,810-14
Au в Ge 330 1021 5,010-18 6,010-17 1,610-21 5,010-17

З цих результатів випливає, що для домішок заміщення найбільш ефективним механізмом ХСД є механізм генерації надлишкових вакансій (індій, фосфор в арсениді галію) та механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень (алюміній в арсениді галію). Для дисоціативно-дифундуючих домішок таким механізмом є механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень (мідь, золото у германії). Ці висновки добре узгоджуються з даними існуючих експериментальних досліджень. Але, оскільки ці дослідження проводилися при певних експериментальних умовах (температурі та концентрації атомарного водню), виникла потреба проаналізувати вплив цих умов на значення коефіцієнтів ХСД. З цією метою були побудовані графіки залежності коефіцієнтів ХСД (розрахованих за різними механізмами) від температури та концентрації атомарного водню у газовій фазі для всіх перелічених систем, аналіз яких показав, що як у широкому інтервалі температур, так і в широкому інтервалі концентрацій найбільш ефективним механізмом ХСД для індію, фосфору в арсениді галію залишається механізм генерації надлишкових вакансій, а для міді, золота у германії та алюмінію в арсениді галію – механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень. При дуже великих температурах (Т > 1700K) механізми ХСД не мають cуттєвого значення порівняно до термічної дифузії, а при дуже великих концентраціях атомів водню nH у газовій фазі (nH1024м-3) визначальним механізмом ХСД в усіх випадках стає механізм додаткової кількості перескоків.
Вище ми розглянули механізми ХСД, пов’язані з передачею енергії атомній підсистемі кристала. Однак, при передачі енергії електронній та фононній підсистемам кристала також можуть виникнути умови, які будуть сприяти прискоренню дифузії. У цьому випадку можливі такі механізми ХСД: рекомбінаційно-прискорений механізм, іонізаційно-прискорений механізм, механізм перезарядження, механізми захоплення електронним та фононним “вітрами”. Усі ці механізми ХСД можуть бути описані аналогічно відповідним механізмам радіаційностимульованої дифузії. Результати розрахунків коефіцієнтів ХСД за вказаними механізмами для міді у германії показали, що ефективність цих механізмів ХСД дуже невисока у порівнянні з механізмами ХСД, котрі пов’язані з передачею енергії атомній підсистемі кристала, але збільшення коефіцієнта дифузії ( на один-три порядки) спостерігається і у цих випадках.
При дослідженнях явища ХСД необхідно враховувати той факт, що під дією енергії поверхневих хімічних реакцій відбувається не лише прискорена дифузія атомів домішки в об’єм кристала, але й розпилення приповерхневих шарів напівпровідників, що містять продифундований елемент. З урахуванням цього процесу була встановлена аналітична та графічна залежність кількості атомів домішки в об’ємі кристала від часу обробки в атомарному водні. Знайдені при цьому значення часу, при яких досягається максимальна кількість атомів домішки в об’ємі напівпровідника, і значення часу, протягом якого відбувається розпилення приповерхневих шарів, що містять продифундовану домішку (розраховані для систем мідь-германій та індій-арсенид галію), добре узгоджуються з існуючими даними експериментальних досліджень і свідчать про те, що процеси розпилення приповерхневих шарів напівпровідників можуть суттєво впливати на дифузійні процеси в них.

ВИСНОВКИ

1.Вивчення явища ХСД проводилося лише на експериментальному рівні. На підставі експериментальних досліджень були визначені деякі кількісні характеристики цього процесу. Запропонований в цій роботі математичний опис процесів, що протікають у приповерхневих шарах напівпровідників під дією енергії поверхневих хімічних реакцій, дозволив одержати математичне обгрунтування існуючих експериментальних даних по хемостимульованій дифузії у напівпровідниках.
2.Методом хімічних реакцій описано процес дифузії атомарного водню у напівпровідниках з урахуванням хімічних реакцій (хемосорбції і рекомбінації), що протікають як на поверхні, так і в об’ємі кристала, внаслідок чого одержані аналітичні вирази для швидкостей протікання цих реакцій і показано (на прикладі системи водень-германій), що рекомбінація атомів водню у приповерхневих шарах напівпровідників не впливає суттєво на дифузійні процеси в них.
3.Проведено аналіз відомих механізмів прискорення дифузії у напівпровідниках і, враховуючи особливості ХСД, визначені можливі механізми її протікання. Такими механізмами є:
– при передачі енергії поверхневих хімічних реакцій окремим поверхневим атомам чи іонам кристалічної гратки – механізм генерації надлишкових вакансій, механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень, механізм додаткової кількості перескоків;
– при передачі енергії електронній підсистемі кристала- рекомбінаційно-прискорений механізм, іонізаційно-прискорений механізм, механізм перезарядження, механізм захоплення електронним “вітром”;
– при передачі енергії фононній підсистемі кристала -механізм захоплення фононним “вітром”.
4. На підставі моделювання процесів хемостимульованого утворення точкових дефектів у приповерхневих шарах напівпровідників одержані аналітичні вирази для швидкостей їх утворення, за допомогою яких були визначені значення цих величин у кристалах германію та арсеніду галію при їх взаємодії з атомарним воднем, що добре узгоджуються з існуючими експериметальними даними.
5.На підставі моделювання процесів ХСД у приповерхневих шарах напівпровідників одержані аналітичні вирази для коефіцієнтів ХСД, за допомогою яких були визначені значення цих величин для індію, фосфору, алюмінію в арсениді галію та міді, золота у германії при їх взаємодії з атомарним воднем, що добре узгоджуються з відомими даними експериментальних досліджень.
6.Аналітичним і графічним способами визначена ефективність того чи іншого механізму ХСД в залежності від виду дифундуючої домішки та умов проведення експерименту. Показано, що при температурах Т =300400 К та концентрації атомарного водню у газовій фазі nH =10201021 м-3 для дисоціативно-дифундуючих домішок переважним механізмом ХСД є механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень (мідь, золото у германії), для домішок заміщення- механізм генерації надлишкових вакансій (індій, фосфор в арсениді галію) та механізм міжвузловинно-вакансійних перетворень (алюміній в арсениді галію).
7.Показано (на прикладі системи мідь-германій), що ефективність механізмів ХСД, пов’язаних з передачею енергії хемосорбції і рекомбінації електронній і фононній підсистемам кристала, відносно невелика порівняно до механізмів ХСД, пов’язаних з передачею енергії окремим поверхневим атомам кристалічної гратки, але збільшення коефіцієнта дифузії (на один-три порядки) спостерігається і у цих випадках.
8.Показано (на прикладі систем мідь-германій та індій-арсенід галію), що процеси розпилення приповерхневих шарів напівпровідників можуть суттєво впливати на дифузійні процеси в них. Знайдені значення для часу, при яких досягається максимум продифундованої домішки в об’ємі кристала, і для часу, протягом якого відбувається розпилення приповерхневих шарів кристала, що містять продифундовану домішку, знаходяться у доброму узгодженні з існуючими експериментальними даними.
9.Одержані у цій роботі результати можуть бути використані під час подальшого вивчення явища ХСД як для визначення кількісних характеристик цього процесу, так і для вибору оптимальних умов, за яких найбільш ефективно протікає хемостимульована дифузія.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Меняйло В. І. Моделювання процесів хемостимульованого утворення дефектів у твердих тілах // Вісник Запорізького державного університету. Фізико-математичні науки.- 1998.- №2.- С.175-178.
2.Меняйло В. І. Моделювання механізмів хемостимульованої дифузії домішок заміщення та дисоціативно-дифундуючих домішок у напівпровідниках // Вісник Запорізького державного університету. Фізико-математичні науки.- 1998.- №2.- С.178-181.
3.Горбань О. М., Меняйло В. І. Вплив рекомбінації Н-атомів в об’ємі твердого тіла на швидкість хемостимульованої дифузії // УФЖ.- 1997.- Т.42.- №9.- С. 1115-1117.
4.Меняйло В. И. Дефектообразование в твердом теле под действием энергии поверхностных химических реакций // Вісник Дніпропетровського державного університету. Сер.Фізика. Радіоелектроніка.- 1998.- №4.- С. 34-37.
5.Меняйло В. И. Моделирование механизмов хемостимулированной диффузии в полупроводниках // Вісник Дніпропетровського державного університету. Сер. Фізика. Радіоелектроніка.- 1998.- №4.- С.38-43.
6.Рогозина (Меняйло) В.И., Горбань А.Н., Швец Ю.А. Моделирование процесса переноса атомарного водорода через металлические мембраны // Фізико-хімічні, структурні та емісійні властивості тонких плівок і поверхні твердого тіла: Зб. наук. пр.- Запоріжжя: ЗДУ.- 1995.- Вип.2.- Кн.2.- С.121-133.
7.Горбань А.Н., Швец Ю.А., Рогозина В.И. Влияние атомарного водорода на свойства поверхности полупроводников // Тез. докл. междунар. совещ.-семинара “Диагностика поверхности ионными пучками”.- Запорожье:АТЦ ЗГУ.- 1992.-С.119-121.
8.Рогозина В.И., Горбань А.Н., Швец Ю.А. Моделирование процесса водородо-проницаемости пленок // The First International Conference of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors.- Abstract Booclet.- Chernivtsi: CSU.- 1994.- V.1.- P.93.
9.Рогозина В. И. Физико-химическое поведение атомарного водорода в твердых телах //Тези доповідей наукових конференцій викладачів і студентів університету.- Запоріжжя: ЗДУ.-1993.- Вип.3.- Ч.1.- С.35-37.
10.Рогозина В. И. Водородостимулированная диффузия // Тези доповідей наукових конференцій викладачів і студентів університету.- Запоріжжя: ЗДУ.- 1994.- Вип.4.- Ч.1.- С. 15-17.

АНОТАЦІЯ

Меняйло В.І. Моделювання процесів хемостимульованої міграції атомних часток у приповерхневих шарах напівпровідників.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10- фізика напівпровідників і диелектриків.- Запорізький державний університет, Запоріжжя, 1999.
Дисертацію присвячено моделюванню деяких процесів, що відбуваються у приповерхневих шарах напівпровідників при їх взаємодії з атомарним воднем, а саме: дифузії атомарного водню в об’ємі напівпровідника з урахуванням поверхневих та об’ємних реакцій (хемосорбції і рекомбінації), внаслідок чого були одержані аналітичні вирази для швидкості їх протікання і показано (на прикладі системи водень-германій), що процеси рекомбінації атомів водню у приповерхневих шарах напівпровідників не впливають суттєво на дифузійні процеси в них; утворення точкових дефектів у напівпровідниках під дією енергії поверхневих хімічних реакцій, внаслідок чого були одержані аналітичні вирази для швидкостей утворення надлишкових вакансій і міжвузловинних атомів (і їх кількісні оцінки для кристалів германію та арсеніду галію); хемостимульованої дифузії (ХСД) у напівпровідниках, внаслідок чого були одержані аналітичні вирази для коефіцієнтів ХСД (і їх кількісні оцінки для індію, фосфору, алюмінію в арсениді галію та міді, золота у германії), за допомогою яких було визначено переважний механізм ХСД у вищевказаних системах в залежності від виду дифундуючої домішки та умов проведення експерименту.
Одержані результати добре узгоджуються з існуючими експериментальними даними і можуть бути використані при подальших дослідженнях явища ХСД як для визначення кількісних характеристик цього процесу, так і для вибору оптимальних умов, за яких найбільш ефективно протікає хемостимульована дифузія.
Ключові слова: моделювання, атомарний водень, хемосорбція, рекомбінація, точкові дефекти, хемостимульована дифузія, коефіцієнт дифузії.

АННОТАЦИЯ

Меняйло В. И. Моделирование процессов хемостимулированной миграции атомных частиц в приповерхностных слоях полупроводников.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10- физика полупроводников и диэлектриков.- Запорожский государственный университет, Запорожье,1999.
Диссертация посвящена моделированию некоторых процессов, происходящих в приповерхностных слоях полупроводников при их взаимодействии с атомарным водородом, а именно: диффузии атомарного водорода в объем полупроводника с учетом поверхностных и объемных реакций (хемосорбции и рекомбинации), в результате чего были получены аналитические выражения для скорости их протекания и показано (на примере системы водород-германий), что процессы рекомбинации атомов водорода в приповерхностных слоях полупроводников не оказывают существенного влияния на диффузионные процессы в них; образования точечных дефектов в полупроводниках под действием энергии поверхностных химических реакций, в результате чего были получены аналитические выражения для скорости хемостимулированного образования избыточных вакансий и междоузельных атомов в полупроводниках (и их количественные оценки для кристаллов германия и арсенида галлия), позволяющие также, определять такие характеристики как скорость распыления вещества с поверхности кристалла, концентрацию точечных дефектов в приповерхностных слоях полупроводников, коэффициенты ХСД; хемостимулированной диффузии (ХСД) в полупроводниках, в результате чего были получены аналитические выражения для коэффициентов ХСД (и их количественные оценки для индия, фосфора, алюминия в арсениде галлия и меди, золота в германии), позволяющие определять такие характеристики как диффузионную глубину проникновения примеси в объем кристалла, ее концентрацию, а также, проводить сравнительный анализ различных механизмов ХСД с целью установления преобладающего механизма ХСД в каждом конкретном случае.
Аналитическим и графическим способами определен наиболее эффективный механизм ХСД в некоторых системах в зависимости от вида диффундирующей примеси и условий проведения эксперимента. Показано, что при температурах T=300400 K и концентрации атомарного водорода в газовой фазе nH=10201021 м-3 наиболее эффективным механизмом ХСД для диссоциативно-диффундирующих примесей в полупроводниках является механизм междоузельно-вакансионных превращений (медь, золото в германии), для примесей замещения – механизм генерации избыточных вакансий (индий, фосфор в арсениде галлия) и механизм междоузельно-вакансионных превращений (алюминий в арсениде галлия).
Показано (на примере системы медь-германий), что эффективность механизмов ХСД, связанных с передачей энергии хемосорбции и рекомбинации электронной (ионизационно-ускоренный механизм, рекомбинационно-ускоренный механизм, механизм увлечения электронным “ветром”) и фононной (механизм увлечения фононным “ветром”) подсистемам кристалла, относительно невысока по сравнению с механизмами ХСД, связанными с передачей энергии атомной подсистеме кристалла (механизм генерации избыточных вакансий, механизм междоузельно-вакансионных превращений, механизм дополнительного числа перескоков), однако увеличение коэффициента диффузии (на один-три порядка) наблюдается и в этих случаях.
Показано (на примерах систем медь-германий и индий-арсенид галлия), что процессы распыления приповерхностных слоев полупроводников, происходящие под действием энергии поверхностных химических реакций, могут оказывать большое влияние на диффузионные процессы в них. Установлена аналитическая и графическая зависимость количества продиффундировавших в объем кристалла атомов примеси от времени обработки в атомарном водороде, позволяющая определять значения времени, при котором достигается максимум внедренной примеси и времени, в течение которого происходит распыление приповерхностных слоев полупроводников, содержащих продиффундировавшую примесь.
Полученные результаты хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными и могут быть использованы при дальнейших исследованиях явления ХСД как для определения количественных характеристик этого процесса и процессов, его сопровождающих, так и для выбора оптимальных условий, в которых наиболее эффективно протекает хемостимулированная диффузия.
Ключевые слова: моделирование, атомарный водород, хемосорбция, рекомбинация, точечные дефекты, хемостимулированная диффузия, коэффициент диффузии.

ABSTRACT

Menyailo V.I. Modeling of the processes of chemostimulated migration of atomic particles in semiconductor surface adjacent arears.-Manuscript.
Thesis for seeking a scientific degree of candidate of physics and mathematics by speciality 01.04.10- physics of semiconductors and dielectrics.- Zaporizhzhe State University, Zaporizhzhe,1999.
The dissertation is devoted to modeling of some processes occured in semiconductor layers attached to the surface while they are interacted with atomic hydrogen, particularly: diffusion of atomic hydrogen into semiconductor bulk with due regard for surface and bulk reactions (chemosorption and recombination). As a result, analytical expressions of reactions velocity have been obtained and (the example with hydrogen-germanium) shows that atomic hydrogen recombination processes in semiconductor layers attached to the surface don’t affect diffusion processes occured in them considerably; formation of point defects in semiconductors under the influence of the energy of surface chemical reactions. As a result, analytical expressions of velocity formation for surplus vacancies and interstice atoms have been obtained (as well as their quantitative indices for crystals of germanium and gallium arsenite); chemostimulated diffusion (CSD) in semiconductors. As a result, analytical expressions for SCD’s coefficients have been obtained (and their quantitative indices for indium, phosphorous, aluminium in gallium arsenite, for copper, gold in germanium). Predominant mechanism of CSD in the above systems depending upon the type of diffused impurity and experimental conditions has been determined with the help of these expressions and their quantitative indices.
The obtained results conform well to existing experimental data and may be used for further investigation of CSD’s processes for determination of quantitative characteristics of this process as well as for choice of optimal conditions under which chemostimulated diffusion occurs with maximum efficiency.
Key words: modeling, hydrogen atomic, chemosorption, recombination, point defects, chemostimulated diffusion, coefficient of diffusion.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020