Влияние облучения на поверхностные свойства полупроводников - Бару В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
ns и ps. В условиях жесткой радиации наряду с ионизацией могут стать
существенными и другие факторы (образование дефектов решетки, примесей,
заряжение и т. д.). Сдвигая электронное равновесие, эти факторы могут
вызвать согласно (52.35)|как;уменьше-ние, так и увеличение энергии
активации, что находится в соответствии с экспериментальными данными.
§ 531
ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ ИОННОГО ОБМЕНА
265
§ 53. Влияние облучения на процессы ионного обмена на поверхности
полупроводника
Изучение ионного обмена на поверхности полупроводников и влияния на него
радиации представляет практический интерес для полупроводниковой
электроники. Процессы ионного обмена ответственны за адсорбцию
поверхностью полупроводника ионов металлов и других элементов из
растворов электролитов, применяемых в технологии изготовления приборов.
Исследование и контроль этих процессов ведется методом радиоактивных
индикаторов [231 ]. При этом возникает вопрос о влиянии радиоактивности,
введенной в раствор, на скорость ионного обмена и адсорбционную
способность полупроводника в стационарном режиме.
В этом параграфе мы выясним условия, при которых следует ожидать влияния
радиоактивности на адсорбцию ионов окисленной поверхностью кремния [232].
Аналогичные результаты получены и для германия [233]. В соответствии с
экспериментальными данными [232,233 ] считаем, что в обычных условиях
образцы Si покрыты тонким слоем окисла Si02, внешняя поверхность которого
гидратирована. Каждая из ОН-групп, покрывающих поверхность, образует с
граничным атомом Si поверхностный комплекс Si+(OH)_. Адсорбция ионов
металла М+ из раствора на такой поверхности идет с участием этих
комплексов по схеме ионного обмена
Si+ (ОН)- + М+ Si+ (ОМ)-+Н+, (53.1)
Ая
где кх и к2 - константы скорости ионного обмена, зависящие от энергий
связи ионов Н+ и М+ в поверхностных центрах Si+(OH)- и Si+(OM)-;
кх ~ ехр (- Ех1кТ), к% ~ ехр (-Ег!кТ)
(.Ех и Ег - энергии связи Н+ и М+). Заметим, что связь ОН- и ОМ-групп с
поверхностью осуществляется при участии электрона, затянутого с
поверхностного атома кремния на атом кислорода. В зонной энергетической
схеме этому электрону, локализованному на поверхностных центрах Si+(OH)-
и Si+(OM)~ отвечают энергетические
266 ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА КИНЕТИКУ ХЕМОСОРБЦИИ [ГЛ. 18
уровни Ен и Ем (рис. 55). Мы полагаем, что электрон, локализованный на
уровнях Ен и 2?м, может делокали-зоваться и уйти в объем в результате
следующих процессов: а) теплового возбуждения в зону проводимости окисла,
б) захвата дырки из валентной зоны окисла, в) туннельного "просачивания"
через окисел и теплового возбуждения в зону проводимости полупроводника,
г) туннельного "просачивания" через окисел и захвата дырки из валентной
зоны полупроводника. Дело-кализация электрона превращает нейтральные
центры Si+(OH)_ и Si+(OM)~ в положительно заряженные Si+OH и Si+OM. При
этом изменяется энергия связи Н+ и М+ на поверхности и открывается второй
путь реакции:
Есг
F
¦*-1 -
'/////////.у.у////
Si Si02
Рис. 55.
Еы Si+OH+M+^Si+OM+H+,
k-4
(53.2)
характеризуемый константами к3 и /с4. Если энергия связи Н+ и М+ на
положительно заряженных центрах меньше, чем на нейтральных, то ks > кх,
ki > /с2, и второй путь реакции более интенсивен. Ясно, что чем больше
доля заряженных поверхностных центров, тем больший вклад дает второй путь
и тем интенсивнее идет суммарная реакция.
Электронные переходы, превращающие нейтральные центры в заряженные, в
отсутствие радиации являются тепловыми. Радиация интенсифицирует эти
переходы, увеличивает долю заряженных центров и тем самым изменяет вклады
обоих путей реакции в суммарный "выход".
Для нахождения изотермы адсорбции ионов с учетом влияния радиации
необходимо решить следующую систему уравнений:
dNu/dt = N н/^м - Л^м/'Сн - Л^м/^м + Л^м/^м = 0; dN^/dt = Nн/тм - Л^м/тн
- Л^м/^м ~Ь Л^м/^м = 0; (53.3)
dNn/dt = Л^м/тн - Л^н/^м - Л^н/Тн + Л^н/Хн = 0; dN ц/dt - N м/тн - Лгн/Тм
- N н/тн + N н/тн = 0.
§ 53] ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ ИОННОГО ОБМЕНА 267
Здесь приняты обозначения: Nm., Nm. - плотность комплексов Si+(OM)~ и
Si+OM; JVH> Л^н - плотность комплексов Si+(OH)~ и Si+ОН; тм, тн -
времена, характеризующие скорость адсорбции ионов М+ и Н+ на нейтральных
* *
центрах; тм> "Гн - те же величины для заряженных центров; тм, тн -
времена, характеризующие захват электрона положительно заряженными
центрами Si+ОМ и Si+ОН; тм, Тн - времена, хара1{теризующие захват дырки
нейтральными центрами Si+(OM)~ и Si+(OH)",
Тм = (hPu) 1 Тм - (к3Рм) ,
ТН = (^иГ1, ' Тн = (/c4Ph)_1; (53'4)
Тм - (aiп -f- я2Рм) 1 тм = (я^м + я2р) >
тн = {bji + Ь2р*я)~1, = (Ь^н + Ь2р)~\ ^53'5^
Рж и Рн - концентрации М+ и Н+ в растворе; ах, и а", - коэффициенты
захвата электронов и дырок
соответствующими центрами. Концентрации п, р, п м, Рм, пц, Рн имеют
следующий вид:
п = п\ + Д"1 + (п°2 + Дя2) ехр (- 1/кп);
Р = Pi + Api + (р° + Ар2) ехр (- 1/Хр);
им = Nci ехр [- (Ес1 - Еж)/кТ] +
-f Nci ехр [- (Ес2 - Ем)/кТ] ехр (- 1/Хп);
