Ημερίδα Υποψηφίων Διδακτόρων Τομέα ΦΣΚ 2018 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Η Ατέλεια COV σε πυρίτιο ακτινοβολημένο με νετρόνια: Μία Φασματοσκοπική Μελέτη στο Υπέρυθρο (IR) Θεοχάρης Αγγελέτος Ημερίδα Υποψηφίων Διδακτόρων Τομέα ΦΣΚ 2018

Η Ατέλεια COV σε πυρίτιο ακτινοβολημένο με νετρόνια: Μία Φασματοσκοπική Μελέτη στο Υπέρυθρο (IR) Διάγραμμα Ομιλίας Ι) Εισαγωγή ΙΙ) Ο σκοπός ΙΙΙ) Το πείραμα ΙV) Τα αποτελέσματα και η συζήτηση, και τέλος V) Τα συμπεράσματα

Εισαγωγή Οι κρυσταλλικές ατέλειες καθορίζουν τις ιδιότητες ενός υλικού Οι κρυσταλλικές ατέλειες καθορίζουν τις ιδιότητες ενός υλικού Το Si είναι το βασικό υλικό της ηλεκτρονικής βιομηχανίας Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τις ιδιότητες και τους μηχανισμούς δημιουργίας και αλληλεπίδρασης των ατελειών για καλύτερο έλεγχο των ιδιοτήτων του προϊόντος τεχνολογικού υλικού Κατά την κατεργασία του Si εισάγονται προσμίξεις Ο και C Δημιουργία σύνθετων ατελειών κατά την θερμική κατεργασία του Si Κατά την ακτινοβόληση του Si δημιουργούνται ενδογενείς ατέλειες SiΙ +V Κατά το dopping εισάγονται προσμίξεις άλλων χημικών στοιχείων

Εισαγωγή Σε υψηλές θερμοκρασίες στο Si δημιουργούνται ιζήματα O (SiOx) Συνάθροιση ενδοπλεγματικών τόμων SiI στην περιοχή γύρω από το ίζημα για την εκτόνωση των μηχανικών τάσεων που δημιουργούνται Θερμική κατεργασία + Απελευθέρωση των SiI από το ίζημα Υπάρχουσες ενδογενείς και εξωγενείς ατέλειες + Σύνθετες ατέλειες Oi + V  VO CS + SiI  Ci Ci + SiI  Ci(SiI) Ci + CS  CiCS CiCS + SiI  CiCs(SiI) Ci + Oi  CiOi CiOi + SiI  CiOi(SiI)

Εισαγωγή Gordon Davies / The 3942 cm-1 optical band in irradiated Si, Phys. Rev. B 35, 2755 (1987) Si + e- ακτινοβόληση  3942 cm-1 (489meV) (προερχόμενη από δομή που περιέχει C, O και V) G. Davies and R. C. Newman / Handbook on Semiconductors, Materials, Properties and Preparations 3b, Elsevier, North-Holland, Amsterdam, 1994, p.1557 Cs + SiI  Ci Ci + Oi  CiOi CiOi + V COV 3942 cm-1 (489meV) Mέχρι σήμερα κανένας κανονικός τρόπος ταλάντωσης (LVM) δεν είχε ανιχνευθεί και αποδοθεί στην ατέλεια COV

Σκοπός Διερεύνηση της ύπαρξης IR κορυφών απορρόφησης οι οποίες θα μπορούσαν να συσχετισθούν με την δομή COV καθώς και να προσδιοριστεί η πιθανή δομή της ατέλειας

Μονοκρυσταλλικά δείγματα Cz-Si με άνθρακα Πείραμα Μονοκρυσταλλικά δείγματα Cz-Si με άνθρακα Μ3, Μ5, Μ7 (A~1×2 mm, d~2mm) Θερμική κατεργασία ~1000 οC / t ~ 5 h Ιζηματοποίηση Ο  Παραγωγή SiI Ακτινοβόληση με νετρόνια Ενέργεια Ε~ 5 MeV Δόση D ~ 1×1017 n∙cm-2 Αυξημένη παραγωγή SiI και V Μετά την ακτινοβόληση τα δείγματα υπέστησαν διαδοχικές ισόχρονες ανοπτήσεις με βήμα ~10 οC και διάρκειας ~20 min η καθεμιά, σε φούρνο ανοικτού τύπου. Μετά από κάθε κύκλο, καθαρίζονταν επιφανειακά και λαμβάνονταν τα IR φάσματα απορρόφησης τους σε RT, με τη βοήθεια φασματοσκοπίου διασποράς (Jasco-IR 700) Αφαιρέθηκε από κάθε φάσμα, το φάσμα αναφοράς του καθαρού FZ-Si με σκοπό να απαλλαχθεί από την πληροφορία της διφωνονικής απορρόφησης του κρυστάλλου και επεξεργάστηκαν με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού για την ανάδειξη των κορυφών

Αποτελέσματα Τμήμα του φάσματος υπέρυθρης απορρόφησης για την ομάδα Μ7 των δειγμάτων μετά την ακτινοβόληση στο συχνοτικό εύρος 800-1050 cm-1 (a) Χωρίς προηγούμενη θερμική κατεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες (b) Με προηγούμενη θερμική κατεργασία στους 1000 οC για 5 h VO (828 cm-1), CiOi (860 cm-1), CiOi(SiI) (934, 1018 cm-1), Ci(SiI) (953, 960 cm-1), CiCs(SiI) (987, 993 cm-1) + 842, 852, 883 cm-1 Παρόμοια θερμική συμπεριφορά  Ένδειξη κοινής προέλευσης

Αποτελέσματα Τμήμα του φάσματος υπέρυθρης απορρόφησης για την ομάδα Μ7 των δειγμάτων μετά την ακτινοβόληση στο συχνοτικό εύρος 800-1050 cm-1 (a) Θερμική εξέλιξη των κορυφών (b) Θερμική εξέλιξη της ηλεκτρονικής γραμμής 3942 cm-1 (Gordon Davies, Phys. Rev. B 35, 2755 (1987))

Oι τρεις ζώνες απορρόφησης προέρχονται από το ίδιο κέντρο (COV) Αποτελέσματα Συγκρίνοντας τα δείγματα Μ3 + Μ5 (παρόμοια συγκέντρωση O αλλά διαφορετική C) φαίνεται ότι όσο αυξάνεται ο C τόσο αυξάνεται η ένταση των δύο IR κορυφών Συγκρίνοντας τα δείγματα Μ5 + Μ7 (παρόμοια συγκέντρωση C αλλά διαφορετική Ο) φαίνεται ότι όσο αυξάνεται το Ο τόσο αυξάνεται η ένταση τις εντάσεις των δύο IR κορυφών. Λόγω της νετρονικής ακτινοβόλησης στην παραπάνω ατέλεια συμμετέχουν και V Oμοιότητα θερμικής εξέλιξης 842, 852 cm-1 με της 3942 cm-1 Οι κορυφές αυτές προέρχονται από μία ατέλεια που περιέχει και C,Ο και V Oι τρεις ζώνες απορρόφησης προέρχονται από το ίδιο κέντρο (COV) Στα δείγματα που υπέστησαν θερμική κατεργασία πριν την ακτινοβόληση η ένταση των κορυφών είναι μεγαλύτερη Cs + (SiI)  Ci Ci + Oi  CiOi CiOi + V  (COV) και Ci + VO  (COV) Τα επιπλέον SiI που απελευθερώθηκαν τροφοδότησαν την παραγωγή του Ci (πρώτη αντίδραση) και μέσω των διπλανών αντιδράσεων παρήγαγαν εν τέλει μεγαλύτερο αριθμό ατελειών COV

Yποθέτουμε την παρακάτω δομή της ατέλειας COV Αποτελέσματα Yποθέτουμε την παρακάτω δομή της ατέλειας COV VO Ci Ωο = 863 cm-1 ΩC = 922 και 932 cm-1 + VO Ci ωο ωC COV

Διαμοριακό Δυναμικό «4-2» Αποτελέσματα Metallicity Η μεταλλικότητα αm είναι ένα μέγεθος που σχετίζεται με το μεταλλικό χαρακτήρα ενός χημικού δεσμού Διαμοριακό Δυναμικό «4-2» Ελαχιστοποίηση της ενέργειας ωO = 860 cm-1 (~2%) ωC = 844 ή 853 cm-1 (~2% και ~0.1%)

Συμπεράσματα Με τη βοήθεια της υπέρυθρης φασματοσκοπίας σε ακτινοβολημένο πυρίτιο, βρήκαμε ότι οι ζώνες IR απορρόφησης 842, 852 cm-1 που ανιχνεύτηκαν στα φάσματά μας έχουν την ίδια προέλευση με αυτήν της γραμμής 3942 cm-1 η οποία στη βιβλιογραφία αποδίδεται στην ατέλεια COV. Επιπλέον, σαν συνέπεια της εφαρμογής του μοντέλου της metallicity που προτείναμε, οδηγηθήκαμε μια συγκεκριμένη δομή (configuration) της ατέλειας COV (ταυτοποιήσαμε τη φυσική δομή της ατέλειας, της οποίας η χημική μόνο δομή-σύσταση ήταν γνωστή μέχρι τώρα). (Materials Science in Semiconductor Processing 75 (2018) 283-287) (Scholarship Grant No. G ZL 001-1/2015-2016)

Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Η Ατέλεια COV σε πυρίτιο ακτινοβολημένο με νετρόνια: Μία Φασματοσκοπική Μελέτη στο Υπέρυθρο (IR) Θεοχάρης Αγγελέτος Ευχαριστώ