Микроэлектроника, 2024, № 2

Российская академия наук
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Том 53    № 2    2024    Март–Апрель
Основан в 1972 г. 
Выходит 6 раз в год 
ISSN 0544-1269
Журнал издается под руководством
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
Главный редактор
Г.Я. Красников
Редакционная коллегия:
И.И. Абрамов, М.Р. Бакланов, А.А. Бухараев,
А.А. Горбацевич, Е.С. Горнев, Ф.Ф. Комаров, 
В.Ф. Лукичев (заместитель главного редактора), П.П. Мальцев, 
И.Г. Неизвестный (заместитель главного редактора),
В.П. Попов, Д.В. Рощупкин, 
К.В. Руденко (ответственный секретарь), 
А.С. Сигов, М.Н. Стриханов, Р.А. Сурис, 
Ю.А. Чаплыгин, В.А. Шахнов 
Зав. редакцией Е.В. Есина
Адрес редакции: 117218 Москва, Нахимовский проспект, 36, корп. 1, ФТИАН 
Тел. 8-499-129-54-46
ponomareval@mail.ru
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала “Микроэлектроника” 
     (составитель), 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Том 53, номер 2, 2024 
ДИАГНОСТИКА
Структурные особенности и электрические свойства термомиграционных каналов Si(Al) 
для высоковольтных фотоэлектрических преобразователей
А. А. Ломов, Б. М. Середин, С. Ю. Мартюшов, 
А. А. Татаринцев, В. П. Попов, А. В. Малибашев
119
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Моделирование диффузии атомов в многокомпонентных полупроводниках 
в неупорядоченном состоянии
С. М. Асадов
132
Применение метода конечных элементов для расчета 
параметров поверхностных акустических волн и устройств на их основе
А. С. Койгеров
142
Новый подход к моделированию радиационных эффектов низкой интенсивности 
в биполярных микросхемах
А. И. Чумаков
156
ТЕХНОЛОГИИ
Пульсации DC/DC преобразователя, построенного по SEPIC топологии
В. К. Битюков, А. И. Лавренов
162
Влияние примеси никеля на эксплуатационные параметры кремниевого солнечного элемента
З. Т. Кенжаев, Н. Ф. Зикриллаев, В. Б. Оджаев, К. А. Исмайлов,
В. С. Просолович, Х. Ф. Зикриллаев, С. В. Ковешников 
169
Временные изменения механизмов токопрохождения 
в легированном эрбием пористом кремнии
Э. Х. Хамзин, Д. А. Услин
179

CONTENTS
No 2, 2024 
DIAGNOSTICS
Structural features and electrical properties of Si(Al) thermal migration channels 
for high-voltage photovoltaic converters
А. A. Lomov, B. M. Seredin, S. Yu. Martyushov, 
A. A. Tatarintsev, V. P. Popov, A. V. Malibashev
119
MODELING
Modeling the difusion of atoms in multicomponent semiconductors in a disordered state
S. M. Asadov
132
Application of the finite element method for calculating 
the surface acoustic wave parameters and devices
A. S. Koigerov
142
The new approach of a simulation low dose rate radiation efects 
in bipolar integrated circuits
A. I. Chumakov
156
TECHNOLOGIES
Ripple of a DC/DC converter based on SEPIC topology
V. K. Bityukov, A. I. Lavrenov
162
Influence of nickel impurities on the operational parameters of a silicon solar cell
Z. T. Kenzhaev, N. F. Zikrillaev, V. B. Odzhaev, K. A. Ismailov, 
V. S. Prosolovich, Kh. F. Zikrillaev, S. V. Koveshnikov 
169
Temporary changes in current flow mechanisms in erbium-doped porous silicon
E. Kh. Khamzin, D. A. Uslin
179

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2024, том 53, № 2,  с.  119–131
ДИАГНОСТИКА
УДК 621.315.592
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
ТЕРМОМИГРАЦИОННЫХ КАНАЛОВ Si(Al) ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ 
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
© 2024 г.    А.А. Ломов1, *, Б.М. Середин2, С.Ю. Мартюшов3, 
А.А. Татаринцев1, В.П. Попов2, А.В. Малибашев2
1Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук, 
Москва, Россия
2Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, 
Новочеркасск, Россия
3Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов, 
Троицк, Россия
*E-mail: lomov@ftian.ru
Поступила в редакцию 16.12.2023 г.
После доработки 01.02.2024 г.
Принята к публикации 05.02.2024 г.
Представлены результаты исследования структурных особенностей и электрических свойств сквозных 
термомиграционных р-каналов Si(Al) в пластине кремния. Структурные исследования выполнены 
рентгеновскими методами проекционной топографии, кривых дифракционного отражения и растровой электронной микроскопии. Показано, что интерфейс канал — матрица является когерентным без 
образования дислокаций несоответствия. Показана возможность применения массива термомиграционных р-каналов из 15 элементов для формирования монолитного фотоэлектрического солнечного 
модуля в кремниевой пластине Si(111) на основе р-каналов шириной 100 мкм со стенками в плоскости 
110
(
). Монолитный солнечный модуль обладает эффективностью преобразования 13.1%, напряжением холостого хода 8.5 В и плотностью тока короткого замыкания 33 мА/см2.
Ключевые слова: термомиграция, p—n-переход, кремний, алюминий, рентгеновская топография, дифракция, кривая качания, U—I—R-свойства, высоковольтный солнечный модуль
DOI: 10.31857/S0544126924020018
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных направлений в микро- и 
наноэлектронике является уменьшение размеров 
элементной базы вплоть до нескольких нанометров. 
В то же время для генерирования большей мощности современные фотопреобразователи, создаваемые на основе традиционных полупроводников 
солнечных элементов [1, 2] или с применением 
новых неорганических [3] и органических материалов [4], имеют сравнительно гигантские размеры. 
Проблема заключается в физических свойствах используемых материалов, ограничивающих работоспособность фотопреобразователя как для генерации тока, так и выходного напряжения. В основе 
любого фотоэлектрического элемента лежит плоская структура, состоящая из p–n-перехода, позволяющая получить выходное напряжение U ~ 1 В. В 
последние годы активно разрабатываются каскадные структуры, в которых формируются несколько 
переходов с разной шириной запрещенной зоны 
для поглощения всей видимой области солнечного 
спектра. Эффективность каскадных структур достигает 39.5% и позволяет получить на одном элементе напряжение U ~ 3 В [5]. Обычно для увеличения U фотоэлектрические элементы собирают в батареи, внедряя в их конструкцию дополнительные 
межэлементные и коммутационные цепи, которые 
приводят к увеличению размеров изделия. Альтернативный подход, снимающий проблему коммутационных цепей, основан на формировании в 
пластине монокристаллического кремния массива 
сквозных вертикальных легированных областей – 
р-каналов. Кроме диффузионного процесса, традиционно используемого для локального легирования полупроводниковых подложек, массивы р-каналов могут быть получены [6] на основе явления 
термомиграции (ThM) [7, 8], которое для полупроводниковых кристаллов изучалось в работах [7–
12]. Процесс ThM примеси выгодно отличается от 
119

ЛОМОВ и др.
структурных дефектов: в объеме p-канала, на границе p–n-перехода и вблизи выхода канала на поверхность пластины. Состав, строение и структурное совершенство термомиграционных областей 
в приповерхностных слоях пластины и сквозных 
каналов p-типа были ранее изучены [8, 14]. Однако детальных исследований структурных особенностей массивов p-каналов и их влияния на электрофизические и фотовольтаические свойства как 
единичного p–n-перехода, так и на высоковольтный монолитный модуль в  литературе не представлено. В связи с этим возникает задача контроля структурного совершенства каналов и влияния 
искажений кристаллической решетки на электрофизические свойства p–n-переходов.
При термомиграции и последующих технологических процессах в p-канале, на межфазных границах и внутри матрицы пластины кремния происходят 
искажения кристаллической решетки и образование 
различных структурных дефектов (дислокации, преципитаты AlxOy и т.д.). Для исследования реальной 
структуры широкое применение получили дифракционные рентгеновские методы: проекционная топография, кривые дифракционного отражения (геометрия Брэгга) и кривые дифракционного прохождения (геометрия Лауэ). Особенность рентгеновских 
методов состоит в неразрушающем воздействии, высокой (Δd/d ~10–6) чувствительности к искажениям 
кристаллической решетки, возможности исследовать образцы толщиной в несколько сотен микрон 
и получать численные характеристики об объекте 
исследования. Ранее эти методики впервые были 
продемонстрированы при исследовании p-каналов 
[14, 18, 19]. Независимый контроль геометрических 
размеров каналов выполнялся методами металлографии и растровой электронной микроскопии 
[7, 12, 14, 15, 20].
Настоящая работа посвящена исследованию 
реальной структуры и электрофизических свойств 
термомиграционных кремниевых легированных 
алюминием p-каналов Si(Al) и фотовольтаических 
свойств монолитного солнечного модуля MSCM.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
диффузии небольшой продолжительностью (менее 
1 ч) [6–10], возможностью управления формой канала [12, 13], однородностью области легирования 
и наличием резких границ сквозных вертикальных 
p–n-переходов [8, 12]. В работах [6, 13, 14] предложено использовать вертикальные p–n-переходы 
для формирования монолитной кремниевой солнечной батареи (далее модуль MSCM – monolithic 
solar cells module. Не путать с CTM – cell-to-module 
[3]). Исследования электрических, фотовольтаических и структурных свойств p–n-переходов представлены в [6, 13, 14] соответственно. Применение 
метода ThM для получения различных полупроводниковых структур приведены в [6, 15].
Массивы сквозных линейных каналов p-типа 
шириной 10–100 мкм в матричных полупроводниковых пластинах являются основой для компактных высоковольтных монолитных горизонтальных 
солнечных модулей. Отметим, что введение легирующей примеси в канал вызывает в нем механические напряжения. Механические напряжения 
в области формируемого канала оказывают воздействие на процесс его кристаллизации во время 
формирования. В результате это может привести 
к искажению формы канала и расположения его 
в кристаллической пластине. Такие структурные 
искажения канала в  латеральном (по  сечению) 
и нормальном (по глубине) к поверхности пластины направлениях приведут к изменению свойств 
не только отдельного p–n-перехода, но и окажут 
влияние на соседствующие с ним. Известно [16], 
что локальные механические напряжения влияют 
на ширину запрещенной зоны и изменяют электрические свойства формируемого p–n-перехода 
и солнечной батареи [17]. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно при формировании массива узких периодических каналов с маленькой 
“скважностью”. Их величина и однородность будет 
зависеть как от ширины канала, так и от межканального расстояния. Это требует получения узких однородных каналов с незначительными механическими напряжениями. Для этого необходим 
контроль за влиянием полей деформации в канале и вблизи его границ на электрические свойства 
формируемых p–n-переходов.
Формирование кремниевого p-канала методом 
ThM алюминия проводится при квазистационарных условиях в  вакуумной камере в  диапазоне 
температур 1100–1450 K при градиенте температур 50–100 К/см. Подчеркнем, что скорость движения жидкой зоны [6, 8, 9], а значит, и скорость 
перекристаллизации областей кремния с примесными атомами алюминия зависят от температуры. 
Это должно привести по аналогии с трансформацией габитуса растущей були кремния [16] к зависимости рельефа границы матрица – канал от 
температуры. В процессе отжига полученной пластины с каналами в ней возможно образование 
Образцы
Сквозные вертикальные р-каналы Si(Al) 
были получены на монокристаллических пластинах Si(111) (P) n-типа (удельное сопротивление ρ = 45 Ом × см, диаметр – 76 мм, толщина – 
400 мкм, плотность дислокаций – менее 102 см–2). 
Для легирования каналов использовался 99.99% 
алюминий. С этой целью перед началом процесса ThM на фронтальной поверхности кремниевой пластины методом магнетронного напыления 
были нанесены массивы алюминиевых ламелей. 
Ламели имели длину 20 мм, ширину и толщину 
100 и 10 мкм соответственно и наносились на подложку с интервалом 3 мм. Ламели на поверхности 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
том 53
№ 2
2024

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА...
121
наиболее уязвимой стартовой точкой [23, 24] термомиграции, проходило при температуре 1350 K в течение 15 мин. Далее ThM процесс проводился при 
постоянной температуре 1450 K в течение 100 мин. 
После окончания ThM процесса пластина с массивом р-каналов проходила технологические стадии 
создания монолитного солнечного модуля (рис. 2).
Электронная микроскопия
Геометрия и состав р-каналов вблизи их выхода на поверхность пластины и на ее сколах были 
изучены методом растровой электронной микроскопии (SEM). Эксперименты выполнялись на 
сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss 
Ultra 55, оборудованном энергодисперсионным 
спектрометром (EDS) рентгеновского излучения 
Oxford Instrument INCA X-act.
Рентгеновская топография
Структурное совершенство и геометрия сквозных вертикальных p-каналов были проверены с использованием метода проекционной топографии 
пластины были ориентированы вдоль направления 
<211>. Процесс ThM проводился в вакууме при 
температуре 1450 К при градиенте температуры 
90 K/см. Перед проведением рентгенодифракционных исследований для устранения остатков материала от процесса ThM фронтальная и тыльная 
поверхности пластины подвергались полировке 
и последующему химическому травлению до остаточной толщины h ~ 300 мкм. Из пластины с каналами Si(Al) был вырезан образец в виде прямоугольника с размерами 25 × 45 мм. Каналы были 
параллельны меньшей стороне образца. Фрагмент 
схемы образца с каналами представлен на рис. 1, 
а, а на рис. 1, б показаны точки приложения контактов для измерения электрических характеристик отдельного канала.
Отличие условий формирования массива р-каналов для MSСM модуля с 15 ячейками состояло 
в  двухстадийном ThM процессе. Решалась задача стабилизации движения зоны расплава Al(Si) 
и формирования всего массива неразрывных однородных р-каналов [21, 22]. Начало процесса, являясь 
(а)
(б)
Рис. 1. Фрагмент схемы образца-пластины Si(111) с р-каналами Si(Al) (а) и места контактов для измерения электрических U—I—R-параметров p—n-перехода (б), где h — толщина пластины; L — расстояние между каналами; l — 
ширина канала; x = 0 — положение центра канала на поверхности пластины.
Рис. 2. Схема монолитного солнечного модуля из нескольких элементов: 1 — исходная кремниевая пластина; 2 — 
p-канал Si(Al) (ThM процесс); 3 — рабочий p—n-переход; 4 — разделительная канавка; 5 — шунт Ag; 6 — p-слой Si(B) 
(твердотельная глубокая диффузия).
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
том 53
№ 2
2024

ЛОМОВ и др.
на камере XRT100 CCM (Rigaku) с серебряным анодом (λ = 0.056 нм). Параметр съемки µt = 0.36, где 
µ = 8 см–1 – линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения в кремнии. Изображение на 
представленных топограммах образца и устройства 
MSСM соответствует кинематическому контрасту.
Кривые дифракционного прохождения
Структурное совершенство кристаллической 
решетки объемной части пластины с р-каналами 
было изучено методом двухкристальных кривых 
дифракционного прохождения (кривые качания 
в геометрии (Rocking Curve) Лауэ – LRC). Двухкристальные LRC были записаны от ортогональных поверхностей образца плоскостей 220
(
)  на 
трехкристальном рентгеновском спектрометре 
ТРС (СКБ ИКАН имени А.В. Шубникова). Источником рентгеновского излучения служила рентгеновская трубка мощностью 1 кВт с молибденовым 
анодом. В качестве монохроматора использовался 
плоский кристалл Si(220). Ширина щелей коллиматора была равна 0.02 мм для плоскости дифракции (горизонтальной) и 2 мм для перпендикулярной плоскости (вертикальной).
Электрофизика
Измерения электрических характеристик I, U, R
отдельных каналов проводились в соответствии со 
стандартными методами через контакты, отмеченные на рис. 1, б. Запись кривых P–U фототока как 
отдельных каналов, так и от монолитного 15-элементного модуля MSCM проводилась на имитаторе импульсного солнечного излучения. Условия измерения соответствовали атмосферной массе AM 
1.5D, плотность мощности падающего излучения 
составляла 1000 Вт/м2, температура модуля – 300 K, 
сопротивление нагрузки R = 10 Ом. В ходе исследования были измерены ток и плотность тока короткого замыкания Isc и Jsc, напряжение холостого 
хода и Uoc и эффективность преобразования солнечной энергии Ef.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
интенсивности рассеяния участков и ямок травления в виде скоплений равносторонних треугольников (А, В) со сторонами {112}. Ямки травления 
появляются из-за локальных изменений скорости 
травления кристалла в местах с неоднородной деформацией. Деформация кристаллической решетки на границах (1, 2) канала вызвана ступенчатым 
изменением ее состава из-за внедрения в  р-канал атомов алюминия. Наличие ямок травления 
(А) вдоль центра канала, вероятнее всего, связано 
с локальной деформацией в центре канала вблизи 
поверхности образца [19].
На изображении скола образца в области канала (рис. 3, б) видно, что р-канал является однородной вертикальной сквозной областью по толщине пластины. Отметим, что получение скола 
перпендикулярно сечению канала и поверхности 
пластины является трудной задачей из-за механических напряжений образца, вызванных предшествующим высокотемпературным процессом. Изза этого на сколе образца наблюдается искривление, размытость и искажение размеров р-канала 
ближе к тыльной (нижней) поверхности. Четкие 
границы как поверхности канала, так и его торца 
видны на сколе вблизи верхней части пластины. 
Из-за геометрических искажений ширина канала 
выглядит уже, чем на рис. 3, а. Для сравнения на 
рис. 3, в приведено оптическое изображение этого 
же р-канала. Согласно рис. 3, в ширина канала равна 107 мкм, что согласуется с шириной по данным 
SEM (см. рис. 3, а). Отметим, что границы канала 
на оптическом изображении видны из-за теневых 
эффектов, связанных с углублением поверхности 
канала из-за более высокой скорости травления относительно нелегированной части пластины.
К  нижней части пластины канал уширяется 
и  достигает 140–150 мкм. Увеличение ширины 
р-канала вблизи его выхода на тыльную поверхность пластины является естественным и  закономерным эффектом, сопровождающим процесс 
термомиграции при постоянном градиенте температуры [8]. Одной из существенных проблем при 
формировании массивов р-каналов является минимизация этого эффекта или его учет.
Кроме этого, как отмечалось выше, возможно 
влияние соседних р-каналов друг на друга в процессе их формирования. На рис. 4 представлены 
изображения участков поверхности (а) и скола (б) 
соседних каналов Si(Al), сформированных в виде 
квадратов на поверхности пластины Si(111). Скол 
образца был получен вблизи места пересечения 
каналов.
На рис.  4,  б видно, что по мере формирования каналов Ch-A и  Ch-B переменного сечения их внешние границы (out) выглядят резкими с минимальными искажениями. В то же время на внутренних границах (in) обоих каналов 
наблюдаются изломы, приводящие к заметному 
Структурные исследования
На рис. 3 представлены фрагменты SEM-изображений поверхности (а), скола (б) и микрофотографии поверхности (в) одного и того же участка р-канала шириной 100–110 мкм. Хорошо видно 
(рис. 3, а), что вид рельефа поверхности канала 
Si(Al) практически не отличается от вида поверхности матрицы пластины (Si). По всей поверхности изображения наблюдаются слабоконтрастные 
фигуры травления в виде размытых треугольников, 
что характерно для поверхности Si(111). Наиболее 
характерными деталями на SEM-изображении поверхности канала являются его границы (1, 2), состоящие из скопления мелких неоднородных по 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
том 53
№ 2
2024

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА...
123
(а)
(б)
(в)
Рис. 3. Фрагменты SEM-изображений (а, б) и микрофотография (в) одного и того же участка поверхности Si(111) 
(а, в) и скола (б) термомиграционного p-канала Si(Al), ориентированного на поверхности пластины вдоль направления 112
(
).
(а)
(б)
Рис. 4. Фрагменты SEM-изображений тыльной поверхности Si(111) (а) и скола (б) двух соседних термомиграционных каналов Si(Al), ориентированных вдоль направления 112





 и  110





.
искажению формы каналов и изменению их ширины. Видно, что эти искажения ThM-каналов 
наблюдаются при примерном равенстве ширины 
канала и  межканального расстояния. По-видимому, здесь проявляется эффект влияния теплового поля соседних расплавов Al(Si) на процесс 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
том 53
№ 2
2024