Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 63 Georgian Scientists ქართველი მეცნიერები Vol. 5 Issue 2, 2023 https://doi.org/10.52340/gs.2023.05.02.08 ალფა ნაწილაკებით დასხივების გავლენა p-SiGe შენადნობების ფუძეშრეების დინამიურ მექანიკურ თვისებებზე ია ყურაშვილი, კახაბერ შამათავა, ეკატერინე სანაია, გიორგი ჩუბინიძე, გიორგი დარსაველიძე სოხუმის ილია ვეკუას ფიზიკა-ტექნიკის ინსტიტუტი, თბილისი, საქართველო აბსტრაქტი შესწავლილია ალფა ნაწილაკებით დასხივების გავლენა p-SiGe შენადნობების (111) ორიენტაციის ფუძეშრეების ელექტროფიზიკურ და დინამიურ მექანიკურ მახასიათებლებზე. ექსპერიმენტული გაზომვებით ნაჩვენებია ელექტრული წინააღმდეგობისა და დენის მატარებელი ხვრელების კონცენტრაციის ცვლილებათა მეტად გამოვლინება გერმანიუმის მაღალი კონცენტრაციული შემცველობის p-Si+2%Ge:B ფუძეშრეებში. ალფა ნაწილაკებით დასხივებულ საცდელ ნიმუშებში ფიქსირებულია გრეხითი რხევების კრიტიკული ამპლიტუდური დეფორმაციისა და დრეკადობის ზღვრის სიდიდეების 1,5-1,8-ჯერ ამაღლება და ძვრის დინამიური მოდულის აბსოლუტური მნიშვნელობის 15%-ით გაზრდა. გამოთქმულია მოსაზრება, რომ ალფა ნაწილაკების დასხივებით ინდუცირებული რადიაციული წერტილოვანი დეფექტები p-SiGe შენადნობების კრისტალურ მესერში ქმნიან დისლოკაციების მოძრაობის დამამუხრუჭებელ დამატებით ცენტრებს და იწვევენ რადიაციული წარმოშობის დინამიურ მექანიკურ განმტკიცებას. განმტკიცების ეფექტი უფრო მეტად არის გამოვლენილი p-Si+2%Ge:B შენადნობის შემთხვევაში. საკვანძო სიტყვები: სილიციუმი, გერმანიუმი, ალფა ნაწილაკი, ძვრის მოდული, დრეკადობის ზღვარი, დინამიური განმტკიცება Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 64 უკანასკნელი 10-15 წლის განმავლობაში სილიციუმზე დაფუძნებული ნახევარგამტარული მასალები, კერძოდ, სილიციუმ-გერმანიუმის შენადნობების მოცულობითი კრისტალები წარმოადგენენ ფართო კვლევის ობიექტს. პრაქტიკული გამოყენების სხვადასხვა პირობებში ისინი ამჟღავნებენ საუცხოო მექანიკურ, ელექტროფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს. იზოვალენტური გერმანიუმით ლეგირება აუმჯობესებს სილიციუმის ფუძეშრეების მექანიკურ სიმტკიცეს. შესაბამისად იზრდება წარმოების გამოსავლიანობა, სელსაწყოების ეფექტურობა, მათ ფუძეზე შექმნილი დიდი ინტეგრალური სქემების, მიკროელექტრომექანიკური და ნანოელექტრომექანიკური სისტემების ოპერაციული საიმედოობა [1]. აღნიშნულიდან გამომდინარე არსებობს მუდმივი ინტერესი სილიციუმისა და სილიციუმის საფუძველზე არსებული მასალების სტრუქტურული, მექანიკური და ფიზიკური თვისებების კომპლექსური კვლევის პრობლემისადმი. ამჟამად ცხადად არის წარმოჩენილი თანამედროვე მიკროელექტრონიკის ტექნოლოგიებში გერმანიუმითა და ბორით ერთობლივად დოპირებული სილიციუმის ფართოდ გამოყენების პერსპექტივები [2]. 1016-1018 სმ-3 კონცენტრაციის გერმანიუმით დოპირება იწვევს მონოკრისტალურ Si:B კრისტალურ მესერში ძაბვების კომპენსაციას და ამცირებს ახალი დისლოკაციების გენერაციის შესაძლებლობებს [3]. ექსპერიმენტულად დადგენილია [4] , რომ (4-9)1019 სმ-3 კონცენტრაციის გერმანიუმი აუმჯობესებს SiGe შენადნობების მექანიკურ თვისებებს. რადიაციული ტექნოლოგიების სწრაფი განვითარების პირობებში მკვეთრად გაიზარდა ინტერესი Si და SiGe შენადნობების ფუძეზე შექმნილი ნახევარგამტარული მასალების მექანიკური თვისებებისადმი. მიუხედავად აღნიშნული ვითარებისა დღეისათვის პრაქტიკულად შეუსწავლელია SiGe შენადნობების კრისტალების მექანიკური თვისებების მოდიფიცირების შესაძლებლობები სხვადასხვა წარმოშობის რადიაციული ზემოქმედების პირობებში. წინამდებარე ნაშრომის მიზანია ალფა ნაწილაკებით დასხივებული მონოკრისტალური p- Si+0,25ატ.%Ge:B და p-Si+2ატ.%Ge:B შენადნობების ფუძეშრეების ელექტროფიზიკური და მექანიკური თვისებების ცვლილებათა კანონზომიერებების შესწავლა. (111) კრისტალოგრაფიული ორიენტაციის მონოკრისტალური p-Si+0,25ატ.%Ge:B და p- Si+2ატ.%Ge:B ფუძეშრეები დასხივდა 5.1012სმ-2 ფლუენსის ალფა ნაწილაკებით. ასეთი ფლუენსით ალფა ნაწილაკებით დასხივება SiGe კრისტალურ მესერში წარმოქმნის სხვადასხვა ტიპის წერტილოვან რადიაციულ დეფექტებს (Ci, Oi, Sii, CiOi, CiCs და ა.შ). ცნობილია [5], რომ აღნიშნული წერტილოვანი რადიაციული დეფექტები თერმულად მდგრადია ოთახის ტემპერატურის პირობებში [5] და მნიშვნელოვან გავლენას ახდენენ ელექტროფიზიკურ მახასიათებლებზე Si-ის ფუძეზე არსებულ ნახევარგამტარულ მასალებში. ელექტროფიზიკური მახასიათებლების (კუთრი ელექტროწინაღობა, დენის მატარებლების კონცენტრაცია, ძვრადობა) მნიშვნელობები განსაზღვრულია ვან დერ პაუს მეთოდით ოთახის ტემპერატურის პირობებში Ecopia HMS-3000 სისტემის დანადგარზე. მეტალოგრაფიული კვლევები განხორციელდა ოპტიკურ მიკროსკოპზე NMM-80RF/TRT. გრეხითი რხევების სიხშირის 0,5-5,0 ჰც დიაპაზონში ენერგიის მილევის ლოგარითმული დეკრემენტის განსაზღვრით სრულდებოდა შინაგანი ხახუნის ფონის შეფასება ამპლიტუდური დეფორმაციის 10-5-5.10-3 ინტერვალში. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 65 ძვრის მოდულის აბსოლუტური სიდიდე განისაზღვრა ეტალონთან შედარების მეთოდით: 𝐺 = 𝐺0 ∙ 𝑓2 𝑓0 2 სადაც G0 და f0 წარმოადგენს ეტალონური ნიმუშის (ვანადიუმი) ძვრის მოდულისა და გრეხითი რხევების სიხშირეს, ხოლო G და f არიან საცდელი ნიმუშების ძვრის მოდულისა და გრეხითი რხევების სიხშირის მნიშვნელობები. დრეკადობის ზღვარი შეფასებულია ცნობილი დამოკიდებულების საფუძველზე: 𝜎 = 𝜀 ∙ 𝐺 სადაც ɛ - ფარდობითი გრეხითი დეფორმაცია, G-ძვრის მოდული, ხოლო  არის დრეკადობის ზღვარი. გაზომვები შესრულდა ლაბორატორიულ მექანიკურ რელაქსატორზე 10-4 ტორი ვაკუუმში ოთახის ტემპერატურაზე. ელექტროფიზიკური მახასიათებლების შესამჩნევი ცვლილებები გამოვლინდა ორივე ნიმუშში ალფა ნაწილაკებით დასხივებულ მდგომარეობაში (ცხრილი 1). გერმანიუმით ლეგირება გავლენას ახდენს რადიაციული დეფექტების წარმოქმნის პირობებსა და თერმულ მდგრადობაზე, კერძოდ, SiGe შენადნობებში ინტენსიურად წარმოებს Oi და Cs მინარევების შემცველი კომპლექსების დისოციაცია-გარდაქმნის პროცესები. ცხრ.1-დან ჩანს, რომ გერმანიუმის მეტი შემცველობის p-SiGe შენადნობში უფრო გამოკვეთილად ვლინდება რადიაციული დეფექტების სტრუქტურაში გარდაქმნებით გამოწვეული ელექტრული მახასიათებლების ცვლილებები. ალფა ნაწილაკებით დასხივებულ ნიმუშებში იწ დიაპაზონის შთანთქმის სპექტრში გამოვლენილია კრისტალური მესრის სითბური რხევებითა და V, Oi, OS, Ci, CS და Sii ცენტრებთან დაკავშირებული მაქსიმუმების ერთობლიობა. რადიაციულ დეფექტებს განეკუთვნებიან მაქსიმუმები 830 სმ-1 (ელექტრულად ნეიტრალური A-ცენტრი, VO0), 885 სმ-1 (VO-), 546 სმ-1 (CiCS, ჩანერგილი (Ci) და ჩანაცვლებული (CS) ნახშირბადის ატომების წყვილი), 860-862 სმ-1 (CiOi, ჩანერგილი Ci და Oi ატომების წყვილები), 936 სმ-1 (CiOi(Sii), ჩანერგილ Sii-სთან ურთიერთმოქმედი CiOi წყვილი). ეს რადიაციული დეფექტი ხშირად ვლინდება სატელიტთან ერთობლივად 1020 სმ-1 ტალღური ვექტორის ზოლში. ცალკეული მაქსიმუმების ოპტიკური შთანთქმის ფარდობითი უნარიანობისა და კალიბრების სათანადო კოეფიციენტების გამოყენებით შეფასებული იქნა Oi და Cs მინარევების კონცენტრაციები. შედარებითი ანალიზით დგინდება, რომ 5.1012სმ-2 ფლუენსის ალფა ნაწილაკებით დასხივება შესამჩნევად ამცირებს ჩანერგვვის პოზიციებში არსებული ჟანგბადის ატომების კონცენტრაციას. შედარებით სუსტად მცირდება ჩანაცვლების პოზიციებში განთავსებული ნახშირბადის ატომების კონცენტრაცია (ცხრილი 1). Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 66 ცხრილი 1. p-SiGe ფუძეშრეების ელექტროფიზიკური მახასიათებლები ნიმუშები ნი მუ შე ბ ი ს მდ გო მა რ ეო ბ ა კუ თ რ ი ე ლ ექ ტ რ ო წი ნა ღ ო ბ ა, ო მი .ს მ ხ ვრ ელ ებ ი ს კო ნც ენ ტ რ ა ც ი ა, მ სმ -3 ხ ვრ ელ ებ ი ს ძვ რ ად ო ბ ა, სმ 2 . ვ -1 წმ -1 ჟა ნგ ბ ად ი ს (O i) კო ნც ენ ტ რ აც ი ა, სმ -3 ნა ხ ში რ ბ ად ი ს (C s) კო ნც ენ ტ რ აც ი ა, ს მ-3 p- Si+0,25%Ge:B საწყისი 9 2.1015 345 2.1018 6.1016 ალფა ნაწილაკებით დასხივებული 19 8.1014 365 8.1017 4.1016 p-Si+2%Ge:B საწყისი 7 4.1015 230 1.1018 5.1016 ალფა ნაწილაკებით დასხივებული 17,5 1.1015 360 7.1017 3.1016 რადიაციული დეფექტების ჩასახვისა და მოძრაობის აქტივაციური მახასიათებლების განსაზღვრისათვის ექსპერიმენტულად შესწავლილია p-SiGe შენადნობების ფუძეშრეების ძვრის მოდულისა და გრეხითი რხევების შთანთქმის ინტენსივობის ცვლილებათა კანონზომირებანი. შედარებისათვის განისაზღვრა ასევე დაუსხივებელ მდგომარეობაში ნიმუშების მექანიკური მახასიათებლები. მეტალოგრაფიული კვლევების თანახმად საცდელ ნიმუშებში დისლოკაციების სიმკვრივე 103- 104 სმ-2 შუალედში იცვლება. ასეთ შემთხვევებში დისლოკაციების ბირთვებს შორის მანძილების საშუალო სიდიდე 5-10 მკმ-ს შეადგენს, რაც მეტად ამცირებს მათი ურთიერთქმედებისა და ურთიერთბლოკირების წვლილს მექანიკური მახასიათებლების ცვლილებებში. ასეთი სიმკვრივის დისლოკაციების წვლილი შესაძლებელია გამოვლინდეს თერმული, დეფორმაციული და რადიაციული წარმოშობის დეფექტებთან ინტენსიური ურთიერთქმედებით, რითაც მნიშვნელოვნად შეიცვლება წერტილოვანი დეფექტების დიფუზიის სიჩქარეები და შეიქმნება მასალის განმტკიცების რეალური შესაძლებლობები. მართლაც 5.1012სმ-2 ფლუენსის ალფა ნაწილაკებით დასხივებულ ნიმუშებში შემჩნეულია დინამიური მექანიკური მახასიათებლების განსხვავებული სიდიდეები. ცხრ.2-ში წარმოდგენილია საწყისი და ალფა ნაწილაკებით დასხივებული საცდელი ნიმუშების დინამიური მექანიკური მახასიათებლები. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 67 ცხრილი 2: საწყისი და ალფა ნაწილაკებით დასხივებული p-SiGe ფუძეშრეების დინამიური - მექანიკური მახასიათებლები მეორე ნიმუშში საწყის მდგომარეობაში რეგისტრირებულია მექანიკური მახასიათებლების შემცირება, რაც განპირობებულია გერმანიუმის მაღალი კონცენტრაციით. Ge იწვევს მესრის პარამეტრის ზრდას და, შესაბამისად, კოვალენტური ატომთაშორისი კავშირების შესუსტებას. თავის მხრივ ეს განპირობებულია სილიციუმის კრისტალურ მესერში ჩანაცვლების პოზიციაში დიდი ატომური რადიუსის მქონე (~1,22Å) გერმანიუმის განთავსებითა და მესრის ლოკალური შეკუმშვის დეფორმაციული ველის ფორმირებით. ალფა ნაწილაკებით დასხივებულ მდგომარეობაში ორივე შენადნობის დინამიური მექანიკური მახასიათებლები საგრძნობლად იზრდება. ეს უფრო ნათლად ჩანს მეორე შენადნობის მექანიკური მახასიათებლების ცვლილებებში. ცნობილი მოსაზრებების თანახმად, გერმანიუმის ატომები აფერხებენ ჟანგბადის კომპლექსებისა და მიკროფაზების ფორმირებას, რითაც სტიმულირდება ჟანგბადის ატომების დიფუზია დისლოკაციების ბირთვების მიმართულებით. ასეთ პირობებში ერთდროულად მიმდინარეობს მათი ერთი ნაწილის განთავსება უშუალოდ დისლოკაციების ბირთვებში და მეორე ნაწილის თავმოყრა დისლოკაციების ირგვლივ არსებულ კოტრელის ატმოსფეროში. ორივე ფაქტორი განაპირობებს დისლოკაციების ძვრადობის შეზღუდვას. ასეთ პირობებში ხორციელდება სილიციუმის სტრუქტურის დინამიური მექანიკური განმტკიცება. ექსპერიმენტულად გამოვლენილი შედარებით მაღალი მექანიკური განმტკიცება (~1,5-1,8- ჯერ) გამოწვეულია დისლოკაციების ძლიერი დეკორირებით O და C მინარევებითა და რადიაციული დეფექტების კომპლექსებით, რომლებიც შეიცავენ ჩანერგვის პოზიციაში რადიაციით გადასროლილ Oi და Ci ატომებს. ექსპერიმენტული ნიმუშები ნიმუშების მდგომარეობა დისლოკაც იებსი სიმკვრივე, სმ-2 ძვრის მოდული, კგ/მმ2 ამპლიტუდ ური დეფორმაცია , x105 დრეკადობ ის ზღვარი, კგ/მმ2 p-Si+0,25%Ge:B საწყისი 5.103 4750 20 0.95 α-ნაწილაკებით დასხივებული 5.103 4830 35 1.70 p-Si+2%Ge:B საწყისი 1.104 4600 15 0.61 α- ნაწილაკებით დასხივებული 3.104 4720 25 1.20 Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 68 ნახ. 1. საწყისი SiGe ფუძეშრეების ძვრის მოდულისა (1,2) და შინაგანი ხახუნის (1’,2’) ამპლიტუდური დამოკიდებულება 1,1’- p-Si+0,25%Ge:B; 2,2’- p-Si+2%Ge:B საცდელი ნიმუშების სტრუქტურაში არსებული დისლოკაციები, არათანაბრად განაწილებული თერმული წარმოშობის ძაბვები და წერტილოვანი დეფექტები წარმოადგენენ არადრეკადობის გამოვლინების მიზეზებს დრეკადი დეფორმაციის პირობებში. მართლაც ოთახის ტემპერატურაზე ძვრის დინამიური მოდულისა და გრეხითი რხევების სიხშირის 0,5- 5,0 ჰც დიაპაზონის შინაგანი ხახუნის ამპლიტუდური დამოკიდებულებები ავლენენ კრიტიკული ამპლიტუდური დეფომაციის ფიქსირებულ მნიშვნელობებს, რომლებზედაც მექანიკური მახასიათებლები მკვეთრად იცვლებიან. ნახ. 1-ის თანახმად დაუსხივებელი ნიმუშები ამპლიტუდური დეფორმაციის დაბალ დიაპაზონში ინარჩუნებენ ძვრის მოდულისა და შინაგანი ხახუნის მუდმივ მნიშვნელობებს. კრიტიკულ ამპლიტუდურ დეფორმაციებზე იწყება მათი წრფივი ცვლილება, კერძოდ, წრფივად მცირდება ძვრის მოდული, ხოლო შინაგანი ხახუნის ფონი განიცდის წრფივად ამაღლებას. გერმანიუმის მაღალი შემცველობის ნიმუშისათვის შემცირებულია კრიტიკული ამპლიტუდური დეფორმაციისა და ძვრის დინამიური მოდულის სიდიდეები. ეს გარემოება განპირობებულია გერმანიუმის წვლილით ატომთაშორისი კავშირის ძალების შესუსტებაში. კრიტიკული ამპლიტუდური დეფორმაციის ერთადერთი მნიშვნელობის არსებობა მიუთითებს, რომ დაუსხივებელი ნიმუშების კრისტალურ მესერში არსებობს ერთი ტიპის წერტილოვანი დეფექტების სიმრავლე, რომელიც ურთიერთქმედებს დისლოკაციურ სტრუქტურასთან. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 69 ნახ. 2. ალფა ნაწილაკებით დასხივებული SiGe ფუძეშრეების ძვრის მოდულისა (1,2) შინაგანი ხახუნის (1’,2’) ამპლიტუდური დამოკიდებულება 1,1’- p-Si+0,25%Ge:B; 2,2’- p-Si+2%Ge:B ალფა ნაწილაკებით დასხივებული ნიმუშების კრისტალურ მესერში მოსალოდნელია სხვადასხვა შედგენილობისა და კონფიგურაციის რადიაციული დეფექტების ფორმირება, რომლებიც ქმნიან განსხვავებული დონის ენერგეტიკულ ბარიერებს დისლოკაციებისათვის. რადიაციული დეფექტები მნიშვნელოვნად ცვლიან კრისტალიზაციის პროცესში შეძენილი თერმული დეფექტების კონცენტრაციას, მათ სივრცულ განაწილებასა და შედგენილობას, რაზედაც არსებითად დამოკიდებულია დისლოკაციური სტრქუტურის ძვრადობა. SiGe შენადნობების ორივე ნიმუში ალფა ნაწილაკებით დასხივებულ მდგომარეობაში ხასიათდება მექანიკური მახასიათებლების კანონზომიერების მრავალჯერადი ცვლილებებით ამპლიტუდური დეფრომაციის ფართო დიაპაზონში (ნახ.2). ორივე ნიმუში ხასიათდება ძვრის მოდულისა და შინაგანი ხახუნის ფომის პრაქტიკულად ერთნაირი ცვლილებებით. განმასხვავებელ ნიშნად წარმოჩენილია კრიტიკული ამპლიტუდური დეფორმაციის ამაღლებული მნიშვნელობები გერმანიუმის მცირე შემცველობის SiGe შენადნობისათვის. ზემოთ აღნიშნული ხასიათის დისლოკაციური სტრუქტურის ძვრადობის ცვლილებები შესაძლებელია დაკავშირდეს მინარევებისაგან თავისუფალ დისლოკაციებთან, რომლებიც წარმოიქმნებიან მონოკრისტალური SiGe ფუძეშრეების დამზადების პროცესში. მათი ძვრადობისა და, მაშასადამე, დინამიური მექანიკური თვისებების მართვა, როგორც შესრულებლუმა ექსპერიმენტებმა აჩვენეს, შესაძლებელია გერმანიუმისა და რადიაციული დეფექტების შემცველობის ცვლილებით. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 5 N 2, 2023 70 ლიტერატურა: 1. D.Y.Oliver, D.B.Lawn, R.F. Cook, M.G. Reitsma, I.E. Bradby, I.S. Williams, P.Munroe. J.Mater. Res. Vol. 23, #2 (2008), 297-301 2. I.Yonenaga, J.Materials, Science: Materials in Electronics, 10 (1999), 329-333. 3. D.Yang, X.Yu, X.Ma, Y.Xu, L. Li and D.Que. J. Cryst. Growth, 243 (2002) 371-376 4. J.Chen, D.Yang. X.Ma, Z.Zeng, D.Tian. L.Li, D. Que, L.Gong. J.Appl. Phys., 103, (2008), 123521- 1-123521-6 5. C.A.Londos, A. Andrianakis, E.N. Sgorou, V.Emtsev, and H.Ohyama. J. Applied Phys, 107 (2010)093520-1- 093520-7. Influence of alpha particle irradiation on dynamic mechanical properties of p-SiGe substrates Ia Kurashvili, Kakhaber Shamatava, Ekaterine Sanaia, Giorgi Chubinidze, Giorgi Darsavelidze Ilia Vekua Sukhumi Institute of Physics and Technology, Tbilisi, Georgia Abstract. Influence of alpha particle irradiation on electrophysical and dynamic mechanical properties of p-SiGe substrates with (111) orientation has been studied. Experimental results show, that changes in electrical resistance and concentration of current-carriers holes are more revelaed in p-Si+2%Ge:B substrates with high Ge content. In the alpha-irradiated test samples increase of the values of torsional oscillations strain amplitude and elastic limit by 1.5-1.8 times and 15 % increase of absolute value of shear modulus are observed. It is supposed, that the radiation point defects induced by alpha particle irradiation in the p-SiGe crystalline lattice form additional braking centers for dislocation motion and cause the radiation origin dynamic mechanical strengthening. The strengthening effect is more revealed in p-Si+2%Ge:B alloy. Keywords: silicon, germanium, alpha particle, shear modulus, elastic limit, dynamic strengthening