Decay of Impurity Clusters of Nickel and Cobalt Atoms in Silicon under the Influence of Pressure

Abstract

Досліджено вплив всебічного гідростатичного тиску (ARHP) на електрофізичні властивості монокристалів кремнію, легованих нікелем та кобальтом. Після високотемпературного дифузійного легування в об'ємі зразків n-Si <Ni> та n-Si <Co> виявлено скупчення домішкових атомів нікелю та кобальту. Методом електронно-зондового мікроаналізу отримано мікрофотографії скупчень домішок та визначено їх структурні форми. Залежно від розміру та форми ці домішкові кластери мають одношарову або багатошарову структуру. Під впливом ARHP значних змін у питомому опорі вихідних зразків не спостерігається. На відміну від них, у зразках кремнію, легованих нікелем або кобальтом, під впливом тиску питомий опір значно зростає. Виявлено, що під впливом ARHP в діапазоні P = 108- 1.6·109 Па домішкові скупчення нікелю та кобальту в кремнії розкладаються, що призводить до збільшення питомого опору зразків у кілька разів. Порівняльний аналіз морфологічних параметрів скупчень домішок до та після впливу ARHP показав, що процес розпаду цих кластерів відбувається у певній послідовності та залежить від їх розміру та форми. У зразках n-Si <Ni> спочатку під впливом ARHP при P = 6·108 Па спостерігався розпад домішкових кластерів розміром до 1 мкм, які мали голкоподібну та дископодібну форми. А в зразках n-Si <Co> під впливом ARHP при P = 4·108 Па спостерігався розпад голкоподібних та дископодібних домішкових кластерів розміром до 0,5 мкм. При більш високих значеннях ARHP (Р ≥ 8·108 Па) було виявлено розкладання домішкових скупчень нікелю та кобальту з відносно великими розмірами, які мають лінзоподібну та сферичну форму.

The effect of all-round hydrostatic pressure (ARHP) on the electrophysical properties of silicon single crystals doped with nickel and cobalt has been studied. After high-temperature diffusion doping in the bulk of n-Si <Ni> and n-Si <Co> samples, accumulations of impurity nickel and cobalt atoms were found. Micrographs of impurity accumulations were obtained by the method of electron probe microanalysis and their structural forms were determined. Depending on their size and shape, these impurity clusters have a single-layer or multilayer structure. Under the influence of ARHP, no significant changes are observed in the value of the resistivity of the initial samples. In contrast to them, in silicon samples doped with nickel or cobalt, under the influence of pressure, the resistivity increases significantly. It was revealed that under the influence of ARHP in the range P = 108-1.6·109 Pa, impurity accumulations of nickel and cobalt in silicon decompose, which leads to an increase in the resistivity of the samples by several times. Comparative analyzes of the morphological parameters of impurity accumulations before and after exposure to ARHP revealed that the process of decay of these clusters occurs in a certain sequence and depends on their size and shape. In n-Si <Ni> samples, initially, under the influence of ARHP at P = 6·108 Pa, the disintegration of impurity clusters up to 1 µm in size, having needle-like and disc-like shapes, was observed. And in samples of n-Si <Co> under the influence of ARHP at P = 4·108 Pa, disintegration of needle-shaped and discshaped impurity clusters up to 0.5 µm in size was observed. Then, at higher ARHP values (Р ≥ 8·108 Pa), decomposition of impurity accumulations of nickel and cobalt with relatively large dimensions, which have a lenticular and spherical shape, was found.