Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Исследование физической природы фотомеханического эффекта й А.Б. Герасимов, Г.Д. Чирадзе, Н.Г. Кутивадзе Кутаисский государственный университет им. Акакия Церетели, 384000 Кутаиси, Грузия (Получена 20 марта 2000 г. Принята к печати 29 июня 2000 г.) Приведены результаты исследований фотомеханического эффекта, проведенных на монокристаллическом Si единой методикой. Исследовались зависимости фотомеханического эффекта от спектрального состава и интенсивности света, остаточный фотомеханический эффект (сохранение размягчения кристалла в течение некоторого времени), влияние освещения на анизотропию микротвердости и температурная зависимость фотомеханического эффекта. На основе проведенных исследований и анализа литературных данных установлена корреляция между величинами фотомеханического эффекта и соответствующей концентрации возбужденных светом неравновесных носителей (так называемых антисвязывающих квазичастиц), на основе которой предложен механизм, согласно которому уменьшение микротвердости в результате освещения в ковалентных кристаллах вызвано в основном ослаблением и изотропизацией химических связей антисвязывающими квазичастицами, образованными светом.1. Введение связывающего в антисвязывающее состояние, сопровождается соответствующим изменением его квантового Исследованию фотомеханического эффекта состояния, т. е. уменьшением энергии связи и измене(ФМЭ) [1], т. е. изменению значения микротвердости нием пространственного распределения отрицательного (МТ) материала под влиянием света, посвящено заряда тех атомов, около которых окажется дырка или определенное число работ [1Ц8]. Однако в них нет свободный электрон при тепловом движении. Учитыфизического механизма, объясняющего каким образом вая, что S-орбитали имеют сферическую симметрию, происходит это влияние. Возможно, это отчасти вызвано а P-орбитали, направленные гантелеобразные электронразноречивостью экспериментальных результатов, ные облака, уход электрона из P-состояния увеличикоторые получены с использованием разных методик вает удельный вес S-состояния около данного атома и условий опытов. В настоящей работе приведены (рис. 1). Таким образом, чем больше будет в кристалле результаты исследований ФМЭ в Si в рамках единой образованных возбуждением электронов проводимости методики, раскрывающие физическую природу влияния и дырок, тем больше уменьшится энергия связи и доля света на МТ.
жестких направленных P-связей, а атомы приобретут Как известно, при измерении МТ происходит разру- добавочную степень свободы, что, естественно, ведет шение материала и, как следствие, перемещение под к увеличению подвижности атомов относительно друг давлением индентора некоторой массы исследуемого друга [10]. Здесь же следует отметить, что в случае вещества. Если воздействие света уменьшает МТ, то это дефектов, создающих локальные энергетические уровни означает облегчение передвижения этой массы вещества, в запрещенной зоне, акцепторные уровни являются свячто в конечном счете определяется увеличением подвиж- зывающими орбиталями, а донорные Ч антисвязываюности атомов относительно друг друга, т. е. изменением межатомного взаимодействия. В работах [9,10] была предложена новая концепция передвижения атомов в твердых телах, которая объясняет, каким образом воздействие света увеличивает подвижность атомов. Приведем вкратце основной смысл данной концепции.
Использование метода линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО) в приближении сильной связи для описания электронных состояний в полупроводниках дает два значения энергии [11]: состояния с меньшей энергией Ч связывающие состояния и состояния с более высокой энергией Ч антисвязывающие состояния. При этом потолку валентной зоны, состоящей из связывающих орбиталей, соответствуют P-состояния электронов, а дну зоны проводимости Ч S-состояния Рис. 1. Образование энергетических зон при сближении атоэлектронов (рис. 1). Каждый переход электрона из мов (r Ч межядерное расстояние), а также изменение энергии валентной зоны в зону проводимости, т. е. переход из и пространственного распределения электронной плотности химической связи в результате перехода электрона из связыFax: (+995 331) E-mail: irpdd@sanetk.net.ge вающей зоны в антисвязывающую.
Исследование физической природы фотомеханического эффекта щими. Поэтому электроны в зоне проводимости и на 3. Зависимость ФМЭ от спектрального донорных уровнях, а также дырки в валентной зоне и состава и интенсивности света на акцепторных уровнях, являются антисвязывающими квазичастицами. Далее приводятся экспериментальные На рис. 2 приведены графики, отражающие результаты данные, иллюстрирующие решающую роль антисвязыва- эксперментов по спектральной зависимости ФМЭ. Криющих квазичастиц в ФМЭ. вая 2 на рис. 2 соответствует случаю воздействия на исследуемый кристалл излучения от лазера. Как видно из рисунка, ФМЭ наблюдается в определенном интервале нагрузок (P < 100 г), а затем с повышением нагрузки 2. Методика эксперимента следует слияние кривых, измеренных на свету и в темноте. Эффект заметного уменьшения МТ под влиянием освещения существует при глубинах внедрения инденЭксперименты проводились на бездислокационных, тора в толщину поверхностного слоя кристалла, опремонокристаллических образцах Si n-типа проводимости, деляемого обратной величиной коэффициента поглощес удельным сопротивлением = 200 Ом см, легированния 1/, где в основном и образуются антисвязывающие ных Sb с концентрацией примеси Nd = 2.3 1013 см-3.
квазичастицы (далее их концентрация экспоненциально Образцы вырезались по поверхностным плоскопадает). На вставке к рис. 2 показана зависимость МТ стям (100), разориентирование не превышало 0.3.
в Si от интенсивности излучения при h > Eg (криИзмерение микротвердости осуществлялось на вая 2). Видно, что линейный спад МТ переходит в установке ФDurimetФ по методу вдавливания с помощью насыщение. Причиной этого эффекта является то, что стандартной четырехгранной пирамиды Кнупа. Перед тонкий приповерхностный слой кристалла, в котором измерением поверхности образцов подвергались химикоиз-за поглощения света появляются антисвязывающие механической обработке с последующим отжигом в квазичастицы, настолько размягчается после определенвакууме. Нагрузка снималась через определенное ной интенсивности освещения, что не вносит вклада время после выключения освещения. Во всех в значение МТ, которое определяется той глубинной экспериментах большая диагональ пирамиды Кнупа частью материала, где фактически нет антисвязываювсегда совпадала с направлением 100 исследуемой щих квазичастиц. Существование ФМЭ обнаружено и плоскости (100). Обоснования необходимости двух в случае воздействия на исследуемый кристалл квантов этих условий будут приведены в разд. 4 и 5. Толщина с энергией h < Eg (рис. 2, кривая 3). Освещение пленки SiO2 на исследуемой поверхности Si, измеряемая кристалла Si таким светом приводит к уменьшению его элипсометрическим микроскопом, была порядка 30.
МТ для всех используемых в опыте нагрузок. ДействиКонтрольными экспериментами было показано, что слой тельно, уменьшение МТ от интенсивности освещения с SiO2 до 60 не влияет на форму кривой зависимости МТ энергиями квантов h
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 72 А.Б. Герасимов, Г.Д. Чирадзе, Н.Г. Кутивадзе имеет линейный характер. Следовательно, в этом случае величина ФМЭ не зависит от глубины внедрения индентора в исследуемый кристалл. Это связано с тем, что поскольку для света h < Eg исследуемый кремниевый кристалл является прозрачным, наблюдаемый ФМЭ вызван поглощением света на дефектах, возникающих в процессе образования отпечатка индентора, и из-за малого коэффициента поглощения излучение проникает во всю нарушенную индентором область кристалла при любых глубинах внедрения индентора в наших опытах.
Действительно, при прикосновении индентора кристалл сильно разупорядочивается, образуется дефектная структура, которая простирается в глубь кристалла вокруг индентора. Как известно [12], сильно разупорядоченный полупроводник имеет хвосты плотности состояния в запрещенной зоне, которые в свою очередь должны привести к изменению характера оптического поглощения света в данной области, по сравнению с неразрушенной частью кристалла. Хвосты валентной зоны состоят из Рис. 3. Зависимости значений микротвердости HK на грани Si связывающих орбиталей, а хвосты зоны проводимости Ч (100) от угла, который большая диагональ пирамиды Кнупа из антисвязывающих. Воздействие на такую структуру составляет с направлением 110 : 1 Ч в темноте и при квантами света h < Eg приводит к перераспредеосвещении квантами света: 2 Ч h
ению электронов между хвостами и увеличению концентрации антисвязывающих квазичастиц в дефектной области, что и обусловливает размягчение этой части материала.
4. Остаточный ФМЭ Ч остаточное размягчение приповерхностного слоя после выключения света После выключения света МТ образца постепенно возрастает и со временем достигает значения, которое оно имело до освещения [13]. Нами были изучены временные и температурные зависимости этой релаксации и Рис. 4. Расположение атомов и химических связей на плоспредложен механизм этого явления1 [14,15], из которого кости (100) монокристалла Si и две разные ориентации инденследует, что остаточное размягчение определяется элек- тора, соответствующие минимальным (a) и максимальным(b) тронами и дырками, захваченными в минимумы искажен- значениям микротвердости.
ной энергетической зоны дефектной приповерхностной области образца [16]. Увеличение температуры способствует преодолению барьера и рекомбинация происходит но кристаллографических направлений на данной поинтенсивнее, что сокращает время существования оставерхности (анизотропия II рода). В случае пирамиды точного ФМЭ.
Кнупа, когда его большая диагональ перпендикулярна Распространение приповерхностного изгиба энергетинаправлениям 100 на плоскости (100) монокристаллических зон (его протяженность по глубине кристалла) ческого Si, МТ имеет сравнительно большое значение зависит от способа обработки исследуемой поверхности (ФтвердоеФ направление), чем в том случае, когда больи концентрации примесей [16]. Влияние этих факторов шая диагональ пирамиды Кнупа параллельна направлеотражается на зависимости величины остаточного ФМЭ ниям 110 (ФмягкоеФ направление). Анизотропия МТ на от нагрузки (т. е. от глубины вдавливания).
грани монокристалла определяется как разница между максимальной и минимальной величинами МТ [17]. С из5. Анизотропия ФМЭ менением положения кристалла относительно неподвижного индентора величина МТ периодически изменяется Значение МТ зависит как от кристаллографической от своего минимального значения до максимального ориентации исследуемой поверхности (анизотропия I ро(рис. 3, кривая 1). Это можно объяснить следующида), так и от местоположения индентора относительми соображениями: в процессе образования отпечатка под воздействием индентора в ковалентном кристалле Следует отметить, что подобные результаты были получены в работе [6] на образцах GaAs и CaP, но не получили объяснения. происходят разрыв, сжатие, растяжение и поворот хиФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Исследование физической природы фотомеханического эффекта мических связей. На рис. 4 приведен двумерный аналог расположения атомов и направлений химических связей на исследуемой плоскости (100) монокристалла Si.
Из рисунка видно, что, когда большая диагональ пирамиды Кнупа расположена вдоль проекции химических связей на поверхности (100) (позиция a на рис. 4), доминируют растяжение и поворот химических связей, и их разрыв облегчен, поэтому величина МТ минимальна.
Если большая диагональ составляет угол 45 относительно проекции химических связей на поверхности (100) (позиция b), тогда доминирующим является процесс сжатия и величина МТ максимальна. Исследование такой анизотропии МТ на грани (100) монокристалла Si при освещении кристалла светом разного спектрального состава показало, что в случае воздействия квантами Рис. 5. Температурные зависимости микротвердости Si в света h < Eg, который поглощается в не обладаютемноте (1, 2) и при освещении (3, 4). Режимы формирования щей анизотропией дефектной области, величина падеотпечатков: 1, 3, 4 Ч охлаждение с неподнятым индентором;
ния МТ одинакова для всех направлений, т. е. исходная 2 Ч охлаждение с поднятым индентором. Интенсивности анизотропия сохраняется (рис. 3, кривая 2). В случае белого света: 3 Ч I1, 4 Ч I2 > I1.
воздействия квантами света h > Eg, который поглощается в ненарушенной области кристалла, величина падения МТ для твердого направления больше, чем растание концентрации антисвязывающих квазичастиц, для мягкого направления (рис. 3, кривая 3). На оснообразованных за счет температуры, приводит как к ве полученных данных можно сказать, что освещение уменьшению МТ с температурой, так и к механической светом h > Eg уменьшает анизотропию МТ, т. е.
нестабильности каркаса отпечатка, которая проявляется анизотропия определяется ненарушенной областью, а в возрастании упругого восстановления его размеров.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам