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电子束辐照单晶硅的能量沉积与辐照效应

发布日期:2016-02-27 来源: 中国电池网 查看次数: 1655 作者:[db:作者]

核心提示:  先平行入射的平面艟,能量为400keV.在玢料+取r=0.lcm、h=48nm和r=0.lcm、h=2nm及若千个r=0.lcm、h=30um的小体积栅元作参。2电子束辐照X380n的N、P型单晶

  先平行入射的平面艟,能量为400keV.在玢料+取r=0.lcm、h=48nm和r=0.lcm、h=2nm及若千个r=0.lcm、h=30um的小体积栅元作参。2电子束辐照X380n的N、P型单晶硅片,样品的电子辐照在2MeV直线电子加速器上进行,电子能量为400keV,束流强度为1.67Xl7A.cnf2,辐照注量为2Xl16cnf2.辐照期间对束流进行了横向扫描,以确保样品受照面辐照均匀。

  EPR测试EPR实验在日本ES-FA200型电子自旋共振谱仪上进行微波功率为5mW,调制频率为100kHz,温度为180k.分析样品为掺杂浓度lxl015cm3、lxl017Cm'3的4个N、P型单晶硅片。EPR测量时,辐照前、后的样品表面垂直于磁场方向,基本保持一致。

  XPS测试分析样品为掺杂浓度lxl017cm3的2个N、P型单晶硅片实验设备为XSAM800X射线光电子能谱仪,采用AlKa射线激发样品,实验时先将样品用Ar-轰击5分钟,除去大约2nm的表面层,这样将表面吸附的杂质除去。

  2结果与讨论2.1硅中能量分布的确定给出了模拟计算得到的400keV电子束福照不同掺杂类型单晶Si沉积能量与深度的变化关系曲线。由图可看出,N型(掺P)与本征硅能量分布几近相同,而P型(掺B)硅出现双峰位,能量峰值明显下降,由此我们得到400keV电子束在厚度为380um的硅晶片氧化层、界面过渡层、体硅能量沉积比例,见表1.随后分别得到P、N两种掺杂类型不同掺杂浓度下的能量沉积-深度曲线。示于,对比,显示较之于掺杂浓度,掺杂类型的不同对电子能量沉积的影响更为明显,而且相对于N型,P型随掺杂浓度的变化,沉积曲线出现一定的波动。

  表1Si-Si02样品中电子能量沉积羿面过渡掺杂类氧化层轮量沉积样品总IK量沉积层型本征400keV电子束在掺P、B的硅中能量沉积-深度曲线400keV电子在a)N型b)P型不同掺杂浓度下的硅中能量沉积-深度曲线2.2硅晶片辐照效应4种类型的样品电子辐照前后的EPR谱经过对应处理,见。由图显示辐照前己存在比较明显的本征缺陷吸收峰,显示有较强的来自于硅缺陷的背景噪声1121.从图中可以看到不论是对于P或N型Si,主要存在四种缺陷类型,即Pb中心、P-related中心(B―related中心)、E‘中心、P0HC(髹氧-空穴)中心(B0HC(硼氧-空穴)中心)其中Pb中心、以及与P、B相关的缺陷中心在辐照前后强度变化不大,E’中心(g=2.000-2.0010)因为其浓度相对于POHC(B0HC)中心很低,其驼峰未能明显观察到,而P0HC、B0HC中心对于N、P两种类型则在辐照后出现了明显的差异。对于P型的硼氧中心来说,辐照后变化不大,而N型的磷氧中心辐照后发生明显的变化,另外,对于同一掺杂类型来说,可以看到高掺杂也就是电阻率较低的材料,辐照后缺陷中心的变化强度强于低掺杂电阻率较篼的材料。

  电子辐照前后的EPR谱图电子束辐照后的样品经XPS分析,与未辐照样相比,51312系统的化学结构有明显的变化、6分别显示P、N型(111)硅衬底上界面区在能量为400keV电子束辐照前后Si、B1S、Pff芯能级的变化由可知,掺B硅衬底界面区在电子辐照后其Si~-B态的Sk相对含量略微提篼,而Si2态的能级谱峰的半篼宽略减小,显示硅过渡态成分有所减少,在其含量相对微有提篼的同时,峰位99. 25eV的5峰(包含B-Si键峰,其结合能与纯桂的Siff结合能99.45eV接近)的相对含量略有下降,与此同时,由B1S芯能级谱可看到,辐照后,B-Si态的BIS的相对含量有增幅,这说明纯硅相对含量微有下降。另外,随着B-B峰强的减弱,B~0键峰有所增强,半高宽减小,这表明硼氧结合组态有简单化倾向。以上结果显示,掺B的硅衬底界面区经电子辐照后未产生新的化学组态,硅、硼与氧的成键能力微有增强。从芯能级谱可知,掺P硅衬底界面区在电子辐照后P-Si键峰强明显减弱,同时峰位99.5eV的Si2P峰(包含P-Si键峰,其结合能也与纯桂的Si2P结合能99.45eV接近)的相对含量大幅下降,这表明纯硅含量也明显降低。此时氧化态相对含量增加,峰半篼宽均变宽,峰位发生移动,提示辐照增大了硅过渡态所具有的化学组态,Pa芯能级谱证明了这点。可以看到在磷杂质态未发生变化,磷硅成键能力下降时,氧化组分发生了明显变化。其中P~键峰强提篼的同时,半篼宽增大,峰位向高能方向移动,与Siff芯能级谱反映一致,另外,我们看到样品辐照前,在133. 95eV处出现一峰,辐照后,其峰强出现突跃,半篼宽也急剧减小,同时峰位向低能方向移动,相应结合能的成键情况,并结合EPR测试结果,认为该峰可能与磷氧空穴缺陷的形成有关。与前者结果比较,掺P的硅衬底界面区电子辐照前后各成分相对含量及组态发生显著变化。

  界面区芯能级谱a)未辐照,b)400keV电子辐照界面区BIS芯能级谱a)未辐照,b)400keV电子辐照掺B(111)硅衬底上Si-Si02界面电子辐照的XPS谱图界面区Sk芯能级谱a)未辐照,b)400keV电子辐照界面区fV芯能级谱a)未辐照,b)400keV电子辐照掺P(111)硅衬底上SiSi02界面电子辐照的XPS谱。3讨论从表I能量沉积分布来看,虽然P型样品总沉积能量有所下降,但在氧化层和界面过度层所沉积的能量占总沉积能量的1.15%,相比于本征样品L08%和N型样品的1.05%略有增大,可见低能电子沉积能量并不是辐射感生电离缺陷的唯一要素,单晶桂微观结构起了重要作用,主要表现为材料掺杂类型、浓度及结合方式m.由前面实验结果显示电子对材料的电离损伤主要反映在Si-Si02界面区m,受电子辐照的激发,界面区中的电子从价带激发到导带,产生电子空穴对,由于电子的迁移率较大,大部分离开界面区,而空穴的迁移率比电子小得多,运动较慢,受到界面处势垒的阻挡。对于掺B的单晶硅来说,硼以受主方式在单晶硅中代替硅原子,这种受主替位同硅形成定形网络,随着单晶硅表面的氧化,砸杂质也与氧形成无定形网络⑴,这里碉替代挂后,因接受一个电子形成负电中心,使网络中氧多以桥联方式结合。同样,磷以施主方式在单晶桂中代替桂原子,这种施主替位同硅形成定形网络,随着单晶硅表面的氧化,磷杂质照样与氧形成无定形网络,而替代桂后‘因释放一个电子形成正电中心,使网络中的非桥联氧增多⑴。显示BOHC和POHC前体充当空穴诱捕中心空穴要与砸氧中心的桥联氧结合,相比空穴与磷氧中心的非桥联氧结合需断裂化学键,消耗更多的能量,而不易形成硼氧空穴中心缺陷,由此可以理解N型的磷氧中心辐照后发生明显的变化。

  3结论以上结果表明,相比于P型硅,N型硅、特别是高掺杂的N型硅,存在着辐射灵敏区即Si-Sia界面区。在低能电子辐照下,界面区内易引起辖射感生缺陷,主要来自于键合于磷的非桥联氧对空穴的诱捕作用,表现为POHC中心明显的变化,Pr芯能级谱突变,使得N型硅、特别是高掺杂的N型硅耐低能电子辐射损伤的能力较弱。

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