Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия

Вводится критерий радиационной стойкости кремния n-типа проводимости. Предлагаются условия облучения и рассматриваются способы получения материала, обладающего повышенной радиационной стойкостью. Показана возможность кластеризации дефектов в кремнии как при облучении высокоэнергетическими протонами,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Гайдар, Г.П., Долголенко, А.П., Литовченко, П.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2009
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96388
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия / Г.П. Гайдар, А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 4. — С. 263-269. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96388
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-963882016-03-16T03:02:29Z Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия Гайдар, Г.П. Долголенко, А.П. Литовченко, П.Г. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Вводится критерий радиационной стойкости кремния n-типа проводимости. Предлагаются условия облучения и рассматриваются способы получения материала, обладающего повышенной радиационной стойкостью. Показана возможность кластеризации дефектов в кремнии как при облучении высокоэнергетическими протонами, так и при отжиге кластеров дефектов в определенном интервале температур. Обсуждаются перспективы создания сверхрешетки вакансионных пор в кремнии. Уведено критерій радіаційної стійкості кремнію n-типу провідності. Запропоновано умови опромінення та розглянуто способи отримання матеріалу, який має підвищену радіаційну стійкість. Показано можливість кластеризації дефектів у кремнії як при опроміненні високоенергетичними протонами, так і при відпалі кластерів дефектів у певному інтервалі температур. Обговорено перспективи створення надґратки вакансійних пор у кремнії. The criterion of radiation hardness for n-type silicon is determined. The irradiation conditions are proposed and the methods to obtain the material with improved radiation hardness are discussed. It is shown the possibility of clusterization of defects in silicon both under the irradiation by the high energy protons and during the annealing of defect clusters in the specific temperature interval. The perspective for the formation of superlattice of vacancy pores in silicon is considered. 2009 Article Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия / Г.П. Гайдар, А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 4. — С. 263-269. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96388 621.315.592.3:546.28:539.12.04 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
spellingShingle	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Гайдар, Г.П. Долголенко, А.П. Литовченко, П.Г. Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия Вопросы атомной науки и техники
description	Вводится критерий радиационной стойкости кремния n-типа проводимости. Предлагаются условия облучения и рассматриваются способы получения материала, обладающего повышенной радиационной стойкостью. Показана возможность кластеризации дефектов в кремнии как при облучении высокоэнергетическими протонами, так и при отжиге кластеров дефектов в определенном интервале температур. Обсуждаются перспективы создания сверхрешетки вакансионных пор в кремнии.
format	Article
author	Гайдар, Г.П. Долголенко, А.П. Литовченко, П.Г.
author_facet	Гайдар, Г.П. Долголенко, А.П. Литовченко, П.Г.
author_sort	Гайдар, Г.П.
title	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия
title_short	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия
title_full	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия
title_fullStr	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия
title_full_unstemmed	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия
title_sort	получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96388
citation_txt	Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия / Г.П. Гайдар, А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 4. — С. 263-269. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT gajdargp polučenievysokoomnogokremniâspovyšennojradiacionnojstojkostʹûkriteriiiusloviâ AT dolgolenkoap polučenievysokoomnogokremniâspovyšennojradiacionnojstojkostʹûkriteriiiusloviâ AT litovčenkopg polučenievysokoomnogokremniâspovyšennojradiacionnojstojkostʹûkriteriiiusloviâ
first_indexed	2025-07-07T03:35:04Z
last_indexed	2025-07-07T03:35:04Z
_version_	1836957622861824000
fulltext	ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2009. №4-2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (94), с. 263-269. 263 Раздел четвертый ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УДК 621.315.592.3:546.28:539.12.04 ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ: КРИТЕРИИ И УСЛОВИЯ Г.П. Гайдар, А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев, Украина E-mail: gaidar@kinr.kiev.ua, факс +38(044)265-44-63 Вводится критерий радиационной стойкости кремния n-типа проводимости. Предлагаются условия об- лучения и рассматриваются способы получения материала, обладающего повышенной радиационной стой- костью. Показана возможность кластеризации дефектов в кремнии как при облучении высокоэнергетиче- скими протонами, так и при отжиге кластеров дефектов в определенном интервале температур. Обсуждают- ся перспективы создания сверхрешетки вакансионных пор в кремнии. ВВЕДЕНИЕ Кремний благодаря своим уникальным свойст- вам, значительным природным запасам исходного сырья является и, вероятно, будет оставаться в бу- дущем основным материалом микроэлектронной техники. Высокоомный кремний широко применя- ется и в производстве детекторов ядерного излуче- ния, которые длительное время должны работать в полях ядерного излучения реакторов, ускорителей ядерных частиц, атомных электростанций. Поэтому проблема получения качественного высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью весьма актуальна и своевременна. Ядерное излучение создает в полупроводниках радиационные дефекты, которые являются эффек- тивными рассеивающими и рекомбинационными центрами для основных и неосновных носителей заряда. Так, при электронном и γ-облучениях соз- даются вакансии и межузельные атомы, которые, взаимодействуя с примесными атомами и между собой, участвуют в образовании глубоко лежащих в запрещенной зоне уровней, например, Е-центров, дивакансий и димежузельных атомов кремния. Вы- сокоэнергетические ядерные частицы, кроме точеч- ных дефектов в проводящей матрице, создают скоп- ления (так называемые кластеры) дефектов, окру- женные областью пространственного заряда и бло- кирующие движение основных носителей заряда. Кластеризация дефектов в системе вызывается ус- ловиями термодинамического равновесия, так как образование скоплений энергетически более выгод- но на величину энергии связи компонент. При достаточно высокой степени генерации де- фектов (вакансий и межузельных атомов), когда концентрация вакансий превышает некий порого- вый уровень, они объединяются в дивакансии, три- вакансии, тетравакансии или более сложные поли- вакансионные дефекты, происходит образование вакансионных пор или даже, возможно, образование сверхрешетки вакансионных пор. Межузельные атомы кремния объединяются в димежузлия раз- личной конфигурации (split, dumbbell) [1] или выхо- дят на поверхность. В самом общем случае сверхрешетками принято называть твердотельные структуры, в которых по- мимо периодического потенциала кристаллической решетки имеется дополнительный одномерный пе- риодический потенциал, период которого сущест- венно превышает постоянную решетки. Сверхре- шетки представляют собой новый тип полупровод- ников, характеризующийся наличием большого числа зон, которые обладают очень сильной анизо- тропией. Концентрация электронов и дырок в сверхрешетках не является фиксированным пара- метром, определяемым легированием, а представля- ет собой легко перестраиваемую величину. Наличие потенциала сверхрешетки существенно меняет энергетический спектр, благодаря чему сверхрешет- ки обладают рядом интересных свойств, которые отсутствуют у обычных полупроводников. Пара- метры потенциала сверхрешетки легко изменять в широких пределах, что, в свою очередь, приводит к существенным изменениям энергетического спек- тра. Данная работа посвящена рассмотрению крите- риев, условий и возможностей получения высоко- омного кремния с повышенной радиационной стой- костью, а также обсуждению перспектив создания нового материала – кремния со сверхрешеткой ва- кансионных пор малого радиуса. КРИТЕРИЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Под радиационной стойкостью полупроводнико- вых материалов понимают их способность сохра- нять свои свойства при воздействии ядерного излу- чения. Радиационная стойкость детекторов ядерного излучения есть доза облучения, при которой пользо- ватели уже не могут мириться с ухудшением их свойств. mailto:gaidar@kinr.kiev.ua Критерий радиационной стойкости не имеет строгого математического определения. Так, радиа- ционную стойкость (Rh) можно определять в зави- симости от предмета изучения через темп уменьше- ния времени жизни, скорости изменения концентра- ции или подвижности носителей заряда и т. д. В нашем случае критерием радиационной стойкости может служить скорость удаления носителей заряда различными дефектами, в том числе и кластерами: ν 0n Rh = при , (1) 0→Φ где n0 – концентрация носителей заряда до облуче- ния полупроводника; ν – скорость удаления носите- лей заряда при малых дозах облучения; Rh – радиационная стойкость, нейтр./см2. Радиационная стойкость детекторов ядерного излучения обычно несколько выше дозы, при кото- рой происходит n → p-конверсия обедненной облас- ти детектора. Так как n → p-конверсия происходит только тогда, когда она произошла в проводящей матрице, то в качестве ν следует использовать ско- рость удаления носителей простыми дефектами в проводящей матрице n-Si. Таким образом, радиаци- онная стойкость полупроводников, например крем- ния, есть флюенс, при котором проводимость стано- вится близкой к собственной. УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ 1. ВВЕДЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ НЕПРЯМОЙ АННИГИЛЯЦИИ Один из подходов к решению проблемы радиа- ционной стойкости кремния заключается во введе- нии в полупроводник эффективных рекомбинаци- онных дефектов для вакансий и межузельных ато- мов. Такими центрами непрямой аннигиляции для вакансий и межузельных атомов могут служить дислокации. Но только дислокации, свободные от примесных атмосфер, способны эффективно взаи- модействовать с первичными радиационными де- фектами, так как они создают вокруг себя деформа- ционные поля, под воздействием которых к ним мигрируют генерируемые облучением вакансии и межузельные атомы. Наши исследования трансмутационно- легированного кремния после отжига при 500 оС показали, что вакансионного типа дефекты объеди- няются и, как пузырьки, всплывают на поверхность кремния, а дефекты межузельного типа превраща- ются в дислокационные петли. Эти созданные таким образом дислокационные петли могут служить сто- ками вакансий и межузельных атомов. В работе [2] показано, что в кремний, выращенный методом зон- ной плавки, дислокационные петли среднего разме- ра 28 Å вводятся с вероятностью Σ = 10-3 см-1 быст- рыми нейтронами реактора. Требуемую дозу пред- варительного облучения легко определить из выра- жения , где L, см – длина свободно- го пробега вакансии при комнатной температуре (5⋅10 ( )3/64 LπΣ=Φ 3 Å) [3]. Таким образом, доза предварительного облучения кремния составит величину ~ 2,6⋅1016 нейтр.⋅см-2. При этом после отжига при 850 оС будет образовано ~ 2,6⋅1013 см-3 дислокаци- онных петель и ~4,5⋅1012 добавочных атомов фосфо- ра. Среднее расстояние между атомами фосфора (например, N P = 1012 см-3) составляет d ~ 10-4 см. Более точно его можно определить из выражения 1 3 4 3 =P a NRπ , (2) где aRd 2= – среднее расстояние между атома- ми; Ra – "атомный" радиус. Поэтому дислокационные петли (зародыши) в среднем должны отстоять друг от друга на опреде- ленном расстоянии, чтобы эффективно захватывать генерируемые облучением вакансии. Средний путь (S), который должна пробежать вакансия на стоки, равен 2/dS = . Поэтому средний путь диффузии вакансии на сток равен "атомному" радиусу, кото- рый легко определить из (2). Для того чтобы дислокационные петли эффек- тивно влияли на кластеры дефектов, надо умень- шить среднее расстояние между зародышами, по крайней мере, до S = 103 Å. Это обусловлено тем, что быстрые нейтроны реактора создают первично- выбитые атомы Si со средней энергией 80 кэВ. Атом кремния c такой энергией создает смещенные атомы на пути в 2000 Å и только в конце пробега создается кластер дефектов. Чтобы средний путь пробега соб- ственных точечных дефектов на стоки составлял в среднем S = 103 Å, следует создать такое количество кластеров, чтобы после их отжига (50 %) при 850 оС в течение одного часа при вероятности их образова- ния быстрыми нейтронами реактора Σ = 0,15 см-1 образовалось N стоков согласно (2). Таким образом, доза предварительного облучения образцов кремния равна Ф = 3,2 ⋅1015 нейтр.⋅см-2. Полученная меньшая доза облучения, чем на основе данных [2], свиде- тельствует о скрытых зародышах для стока радиа- ционных дефектов, концентрация которых в ~ 75 раз больше, чем дислокационных петель. Природа этих зародышей неизвестна. Тем не менее нейтронно- легированный кремний дозой ~1016 нейтр.⋅см-2 име- ет более высокую (приблизительно в 2 раза) радиа- ционную стойкость (рис. 1) по сравнению с n-Si, выращенным методом зонной плавки (FZ). Кислород всегда присутствует в кремнии в каче- стве фоновой электрически-неактивной примеси. Он вступает в реакции с точечными дефектами (вакан- сиями и межузельными атомами), но не изменяет свойств кремния при комнатной температуре, так как уровень Ферми лежит ниже уровня А-центра (Ес – 0,175 эВ). В кремнии, выращенном методом Чохральского, концентрация кислорода на три-четыре порядка превышает концентрацию легирующей примеси. И хотя вероятность захвата атомом фосфора вакансии приблизительно на два порядка выше, чем атомом кислорода, все же большая концентрация последне- го приводит к преимущественному образованию А- центров (V-O) при облучении. Захватывая вакансии, кислород таким образом уменьшает поток их к ле- 264 гирующей примеси фосфора, подавляя тем самым образование Е-центров (V-P), которые существенно влияют на изменение концентрации носителей в кремнии, имея глубокий акцепторный уровень в запрещенной зоне кремния (Ес – 0,47 эВ). онных петель существенно уменьшает скорость вве- дения простых дефектов с глубокими уровнями в запрещенной зоне кремния, и согласно (1) радиаци- онная стойкость n-Si повышается. 1011 1012 1013 1014 1010 1011 1012 1013 Ф, нейтр.⋅cм-2 n э ф , c м- 3 1 2 1012 1013 1014 1015 10161012 1013 1014 1015 n э ф , cм -3 Φ T = 293 K 1 2 , í åéòð.⋅cì -2 Рис. 1. Зависимость эффективной концентрации электронов (nэф) от флюенса быстрых нейтронов реактора (Ф) при комнатной температуре в 1 – n-Si (FZ), n0 = 2,65 ⋅ 1012; 2 – n-Si (NTD), n0 = 2,69 ⋅ 1012 см-3. n0 – концентрация носителей до облучения Обычно считают, что флюенс, при котором на- блюдается n → p-конверсия обедненной области детектора, определяет его радиационную стой- кость. В кремнии с небольшой концентрацией кислорода n → p-конверсия наблюдается уже по- сле флюенса быстрых нейтронов 2 ⋅ 1013 нейтр.⋅см-2 [4]. В окисленном с помощью диффузии кремнии этот флюенс значительно больше, а в кремнии, выращенном методом Чох- ральского, конверсия не наблюдается даже при флюенсе 1015 нейтр.⋅см-2. Объяснить эти факты можно следующим образом. Кислород в межу- зельном положении не только уменьшает ско- рость введения Е-центров, дивакансий, но также в проводящей матрице препятствует выходу межу- зельных атомов кремния на поверхность и спо- собствует образованию димежузельных атомов. Донорные и акцепторные уровни дивакансий и димежузельных атомов кремния будут удержи- вать уровень Ферми вблизи середины запрещен- ной зоны. 2. ВВЕДЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ ПРЯМОЙ АННИГИЛЯЦИИ Легирование n-Si, выращенного методом Чох- ральского, германием (NGe ≈ 2 ⋅ 1020 см-3) повышает радиационную стойкость примерно на порядок (рис. 2). Если принять во внимание, что время нахо- ждения вакансии рядом с атомом германия очень мало (комплекс Ge-V отжигается при комнатной температуре), то можно предположить, что атомы германия выступают в роли центров прямой анни- гиляции для пар Френкеля. Таким образом, введение в кремний n-типа при- меси германия, кислорода или создание дислокаци- Рис. 2. Зависимость эффективной концентрации носителей (nэф) от флюенса быстрых нейтронов реактора (Ф). Измерения проводились при комнат- ной температуре в образцах n-Si (Cz): Ф, нейтр.·см2 1 – n-Si без Ge; 2 – n-Si<Ge>. □, ∆ – экспериментальные данные; –––– – результаты расчета 3. СОЗДАНИЕ УСЛОВИЙ КОНДЕНСАЦИИ ПЕРВИЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ВАКАНСИОННЫХ ЗАРОДЫШАХ При облучении n-Si протонами с энергией 24 ГэВ кластеры дефектов создаются конденсаци- ей дефектов на зародышах [5]. Исследовались об- разцы n-Si с удельным сопротивлением ~ 2,5 ⋅ 103 Ом⋅см, выращенные методом зонной плавки (FZ) и обогащенные О2i (OFZ/G), до и по- сле облучения протонами с энергией 24 ГэВ до флюенса ~ 1014 прот.⋅cм-2. Чтобы определить ра- диационную стойкость, т. е. до какой дозы мате- риал будет устойчив к облучению, надо знать скорость удаления носителей глубокими уровня- ми в проводящей матрице. Для этого нужно рас- считать дозовую зависимость эффективной кон- центрации носителей (nэф). Это было сделано с помощью уточненной модели кластеров дефектов. Основные расчетные формулы представлены в работе [6]. При комнатной температуре обычно глубокие акцепторные уровни радиационных дефектов от- вечают за удаление электронов из зоны проводи- мости кремния. Чтобы описать полученные экс- периментальные данные (рис. 3), были использо- ваны скорости введения: в случае n-Si (FZ) (n0 = 1,59 ⋅ 1012 см-3) – ν = 0,1 см-1 для глубокого уровня Ес – 0,49 эВ, а в случае n-Si (OFZ/G) (n0 = 1,76 ⋅ 1012 см-3) – ν = 0,2 см-1 для усредненно- го дивакансионного и тривакансионного уровня Ес - 0,45 эВ. 265 1011 1012 1013 1014 10151010 1011 1012 1013 Ф, прот.⋅см-2 n э ф , см -3 1 2 а 1011 1012 1013 1014 10151010 1011 1012 1013 n э ф , см -3 Ф, прот.⋅см-2 1 2 б Рис. 3. Зависимость эффективной концентрации носителей (nэф) от флюенса 24 ГэВ протонов (измерение при комнатной температуре): a – n-Si (FZ) (n0 = 1,59 ⋅ 1012 см-3); б – n-Si (OFZ/G) (n0 = 1,76 ⋅ 1012 см-3), Δ, □ – эксперимент; 1, 2 – расчет без учета и с учетом дополнительного перекрытия кластеров дефектов соответственно Положение уровня Ферми в кластере относи- тельно дна зоны проводимости было определено экспериментально при дозе полного перекрытия кластеров дефектов (μ = Ес - 0,51 эВ). Тогда радиа- ционная стойкость n-Si (FZ) равна Rh = 1,59 ⋅ 1012/0,1 ≈ 1,59 ⋅ 1013 прот.⋅см-2, а n-Si (OFZ/G) - Rh = 1,76 ⋅ 1012/0,2 ≈ 0,88 ⋅ 1013 прот.⋅см-2. Теперь рассмотрим подробнее, как происходит кластеризация дефектов при облучении кремния 24 ГэВ протонами. Известно [7], что быстрые ней- троны создают в кремнии кластеры дефектов со среднестатистическим радиусом: ( )( )20/кэВlg3,541 nER = . (3) При расчете согласно (3) получаем усредненный радиус кластеров R1 = 330 Å. При высоких энер- гиях протонные и нейтронные нарушения грубо отделены кулоновским вкладом рассеянных про- тонов. Это различие получается очень малым по сравнению с ядерным взаимодействием при высо- ких энергиях ядерных частиц. Поэтому 24 ГэВ протоны подобны нейтронам и должны создавать по (3) кластеры со средним радиусом 330 Å. Что- бы получить такой большой кластер (по сравне- нию с кластерами размером 40…50 Å, которые создают быстрые нейтроны реактора в кремнии), необходимо предположить, что при неупругом рассеянии протонов такой энергии создается вы- сокая концентрация смещенных атомов кремния. Действительно, расчет зависимости эффектив- ной концентрации носителей от дозы облучения Ф дает сечение введения кластеров дефектов Σ = 2,5⋅10-2 см-1 при R1 = 330 Å. Понятно, что та- кую высокую вероятность введения кластеров дефектов 24 ГэВ протонами можно обеспечить только за счет резерфордовского рассеяния про- тонов (σ = 0,5 барн). При этом нужно иметь в ви- ду, что хотя 24 ГэВ протоны имеют большое се- чение рассеяния, однако атомы кремния получают в среднем энергию порядка 200 эВ. Поэтому при резерфордовском рассеянии протонов могут соз- даваться только зародыши – некие центры анниги- ляции для первичных дефектов. Но при неупругом рассеянии протонов на атомах кремния последние получают высокую энергию и поэтому могут созда- вать высокую концентрацию подвижных дефектов. Наличие барьера (0,4 эВ) между вакансиями и ме- жузельными атомами кремния будет приводить к их разделению. Вакансии будут мигрировать к стокам, которыми служат зародыши, образуя кластеры ста- бильных дефектов. Таким образом, фактически, происходит конденсация дефектов на зародышах или кластеризация дефектов. Именно вероятность создания кластеров определяется сечением резер- фордовского рассеяния. Но энергия, которая переда- ется атому кремния при таком рассеянии протонов, будет всего ~ 200 эВ, и ее достаточно только для того, чтобы создать поливакансию, которая может состоять из 4-6 вакансий. Созданная таким образом поливакансия является тем самым зародышем, во- круг которого образуется деформационное поле, с которым будут взаимодействовать первичные ра- диационные дефекты, т. е. произойдет их кластери- зация. Собственно зародыш выступает в роли гетте- ра, удаляя из матрицы проводимости равновероятно созданные первичные дефекты, собирая их в класте- ры. При этом скорость удаления носителей из полу- проводника уменьшится в ~ 10 раз по сравнению со случаем, если бы такие же дефекты распределялись равновероятно в его объеме. Кластеризация дефектов происходит не только при облучении 24 ГэВ протонами, но также и при отжиге образцов кремния. Исследовались образцы n-Si, выращенные методом Чохральского (Cz), с удельным сопротивлением ρ ~ 40...120 Ом⋅см. Изо- хронный отжиг n-Si (Cz) (n0 ≈ 1,2⋅1014 см-3), облу- ченного флюенсом быстрых нейтронов 3,75⋅1013 нейтр.⋅см-2, проводился в температурном интервале 300…600 К при выдержке 30 мин при каждой температуре. Изменение концентрации кла- стеров дефектов после 6 лет выдержки при комнат- ной температуре в зависимости от температуры от- жига в течение 30 мин показано на рис. 4. Соответ- ствующие расчеты приведены в работе [8]. 266 250 350 450 550 6501012 1013 N кл , см -3 Tотж , K Рис. 4. Зависимость концентрации кластеров (Nкл) от температуры отжига (Tотж) после облучения образцов n-Si (Cz) (n0 ≅ 1,2 ⋅ 1014 см-3) флюенсом 3,75 ⋅ 1013 нейтр.⋅см-2 быстрых нейтронов реактора (время отжига 30 мин): Δ – экспериментальные данные; ––––– – результаты расчета Отжиг кластеров дефектов был описан тремя стадиями с соответствующими параметрами (энер- гией активации Еа и частотным фактором ν): первая стадия – 350...450 К, = 0,81 эВ, ν 1aE 1 = 5,4 ⋅ 106 с-1; вторая – 450...550 К, = 0,4 эВ, ν 2aE 2 = 1 с-1 и третья – 550...650 К, = 1,3 эВ, ν 3aE 3 = 6,0 ⋅ 104 с-1. Первая стадия отжига кластеров дефектов связана с анниги- ляцией вакансионного типа дефектов в кластере с межузельными атомами кремния [9]. Третья стадия отжига связана с миграцией дивакансий из класте- ров на стоки. Интерес представляет вторая стадия отжига кла- стеров дефектов. Известно, что дивакансии в крем- нии уже подвижны при температуре 450 К. Поэтому можно предположить, что вторая стадия связана с кластерированием дивакансий согласно реакции V2 + V2 → V4 (т. е. при отжиге кластеров происхо- дит кластеризация простых вакансионных дефек- тов). Поэтому именно за счет кластеризации энергия активации отжига уменьшается на величину энергии связи дивакансий в тетравакансионном дефекте. Поскольку энергия активации миграции составляет 1,3 эВ, а мы получили энергию 0,4 эВ, то энергия связи дивакансий в дефекте V4 будет равна Есв = 0,9 эВ. Итак, кластеризация дефектов возможна в опре- деленном температурном интервале при отжиге кла- стеров дефектов, а также при облучении кремния 24 ГэВ протонами, когда благодаря резерфордов- скому рассеянию протонов создаются зародыши конденсации первичных дефектов. Зададимся вопросом, а можно ли предварительно создать такие вакансионные зародыши, которые будут равноудаленными друг от друга, т. е. создать в кремнии сверхрешетку вакансионных пор малого радиуса? В случае металлов сверхрешетка ваканси- онных пор наблюдалась экспериментально [10]. Одним из основных условий образования сверх- решетки есть необходимость создания при помощи облучения очень высокого уровня генерации дефек- тов (вакансий и межузельных атомов). Облучение кристаллов приводит к возникновению первичных дефектов. Впоследствии эти дефекты либо анниги- лируют, либо захватываются различными стоками. При однородном облучении и однородном распре- делении стоков дефекты равновероятно распределе- ны по кристаллу. Вследствие упругого дальнодейст- вующего взаимодействия между дефектами при некоторой их концентрации, выше порогового зна- чения, однородное распределение плотности стано- вится неустойчивым [11]. В системе образуется ста- ционарное состояние с периодически распределен- ной плотностью дефектов. При этом система термо- динамически неравновесна. Спонтанное появление пространственных структур в неупорядоченных системах под облучением (так называемое явление самоорганизации в кристаллах) исследовалось в работах [12, 13]. Решетка вакансионных пор также была обнаружена в поликристаллическом молибде- не, облученном быстрыми нейтронами [14]. Пусть под действием ядерного облучения в кри- сталле создана некая концентрация дефектов. Де- фекты взаимодействуют между собой через упругие поля деформаций. Рассмотрим дефекты одного типа с плотностью n. Тогда координатная и временная зависимости плотности дефектов описываются диффузионным уравнением Больцмана: knjdiv dt dn +−−= τ , (4) где k – число дефектов, рождаемых в единицу вре- мени в единице объема внешним источником; τ – время жизни дефектов по отношению к захвату на стоки; j – плотность тока дефектов. В противоположность диффузионной теории, основанной на взаимодействии пор через дально- действующие диффузионные поля, в работе В.И. Сугакова [11] учтено взаимодействие между вакансиями. Это позволило объяснить рост и зарож- дение пор, не делая предпочтение захвату межу- зельных атомов на стоки по сравнению с вакансия- ми, а также выявить связь ориентации осей сверх- решетки пор и кристалла и ее возникновение в оп- ределенном интервале температур. Как следует из развитой теории, появление структуры обусловлено динамическим взаимодействием между дефектами. Дефекты с одинаковой вероятностью создаются в каждой точке системы. За время жизни дефектов, которое меньше времени установления равновесия в системе, благодаря притяжению между ними успе- вает установиться неоднородное распределение. Появившиеся в последующие моменты времени де- фекты взамен исчезнувших поддерживают образо- вавшуюся структуру. Поскольку взаимодействие начинает играть роль лишь при определенной кон- центрации дефектов, явление образования сверхре- шетки дефектов носит пороговый характер. Вслед- ствие анизотропии взаимодействия ориентация сверхрешетки зависит от ориентации осей кристал- ла. Основные предпосылки расчетов основаны на следующих положениях. Дефекты, созданные ядер- 267 ным облучением кристалла полупроводника, взаи- модействуют между собой через упругие поля де- формаций. Это взаимодействие учитывается введе- нием сил в уравнение диффузии дефектов. В общем случае надо учитывать все возможные взаимодейст- вия: вакансия–вакансия, вакансия–межузельный атом, межузельный атом–межузельный атом. Одна- ко ввиду того, что коэффициент диффузии межу- зельных атомов в процессе облучения на много по- рядков превышает коэффициент диффузии вакан- сий, а за счет ухода на стоки концентрация их на- много ниже концентрации вакансий, поэтому в ра- боте [11] были рассмотрены только вакансии, упру- го взаимодействующие между собой. Таким образом, было получено [11] , что период сверхрешетки (в одномерном случае) равен ( ) 2/1 00 4/12 Rla cL απ= , (5) где αc – критический параметр накачки (скорость); τDl =0 – длина свободного пробега дефекта; D – коэффициент диффузии дефекта; τ – время жизни дефекта; R0 – величина, которая равна нескольким периодам решетки и является радиусом захвата ва- кансией межузельного атома. Параметр накачки Tk Vn 1 00=α , где – средняя концентрация дефектов. τkn =0 В модели изотропных силовых диполей ( ) aC C KVV 2 11 2 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Δ= , где ΔV – изменение объема кристалла при введении дефекта; Ca, C11, K – выражаются через упругие модули: ; 4411 2 CCCa −= ( )1211 2 3 1 CCK += ; aCCC 5 2 1111 −= . Нами в качестве оценки был выбран кремний, облучаемый протонами с энергией 2 МэВ при тем- пературе Т = 1000 К и токе протонов 10 мкА. Про- веденные расчеты для облученного протонами кремния дают скорость накачки αc = 1,3⋅10-10. При этом скорость генерации смещений при протонном облучении равна 6,3⋅1016 см-3/с. В работе [8] показа- но, что радиус захвата (R0) вакансии на межузель- ный атом, например кислорода равен четырем по- стоянным решетки кремния. Поэтому для создания сверхрешетки вакансионных пор в кремнии с пе- риодом aL ≅ 100 Å и радиусом пор rc ≅ 6 Å, надо, чтобы вакансии в кремнии имели свободный пробег порядка 100 мкм. Однако в легированном кремнии вакансия пробегает только 0,5 мкм, тогда как в вы- сокоомном совершенном кристалле кремния длина свободного пробега вакансии составляет уже ~3 мкм [15], но никак не 100 мкм. Тогда что же получается, сверхрешетка ваканси- онных пор в кремнии невозможна? Припомним та- кой момент. Хорошо известно, что в химии, напри- мер, для ускорения реакции применяют катализатор. При выращивании совершенных кристаллов крем- ния с целью ускорения этого процесса используют затравку. В нашем же случае кластеры, в которых уже организовалась кластеризация дефектов пре- имущественно вакансионного типа, можно исполь- зовать как затравку для создания сверхрешетки, причем вести облучение необходимо в той области температур, где происходит кластеризация и кон- центрация кластеров не меняется. При этом мы име- ем несколько положительных моментов. Во-первых, теперь уже нам не нужна столь высокая скорость генерации дефектов, как в случае отсутствия заро- дышей. Чтобы создать центры аннигиляции для первичных дефектов, можно их ввести в определен- ном интервале температур. К примеру, кластеры, созданные при отжиге в интервале температур 400...500 К, могут служить затравкой теми зароды- шами, на которых начнется кластеризация дефектов для создания сверхрешетки вакансионных пор. Во- вторых, так как нам не надо создавать затравочную пору с малым радиусом, а радиус захвата вакансии в кластеры равен ( )TkReff /41,0exp726,0 −= [8], то возникает мысль, что сверхрешетку вакансионных пор в кремнии все же можно получить, причем с различными периодами. Регулируя температуру облучения, можно изменять и радиус пор, а пора, состоящая из шести вакансий, не будет иметь глу- боких уровней в запрещенной зоне кремния [16]. Таким образом, если создать кремний, состоя- щий из сверхрешетки вакансионных пор, то такой материал, возможно, будет обладать не только вы- сокой радиационной стойкостью, но и другими по- лезными свойствами. Но, конечно же, это вопрос будущего. Однако уже сейчас, пожалуй, можно ска- зать, что стабильной такая сверхрешетка должна быть до температуры 500 оС, ведь именно при этой температуре в нейтронно-облученном кремнии соз- данные скопления вакансий выходят на поверхность образца. ВЫВОДЫ Определен критерий радиационной стойкости полупроводников через скорость удаления носите- лей заряда разными дефектами, в том числе и кла- стерами. Показано, что радиационная стойкость кремния n-типа – это флюенс, при котором концен- трация носителей в проводящей матрице при облу- чении приближается к собственной. Предложен ряд подходов к решению проблемы получения кремния с повышенной радиационной стойкостью на основе введения эффективных де- формационных центров прямой (германий) и не- прямой (дислокационные петли) аннигиляций для вакансий и межузельных атомов, введения примеси кислорода, а также создания поливакансионных за- родышей конденсации первичных радиационных дефектов. Показана возможность кластеризации дефектов при облучении кремния 24 ГэВ протонами, а также при изохронном отжиге кластеров дефектов в тем- пературном интервале 400…500 К. Рассмотрены перспективы создания сверхрешет- ки вакансионных пор в облученном кремнии с це- лью получения нового материала, обладающего по- вышенной радиационной стойкостью. 268 ЛИТЕРАТУРА 1. V. Gusakov, V.I. Belko, N.N. Dorozhkin. Effect of Hydrostatic Pressure on Self-interstitial Diffusion in Si, Ge, Si<Ge> Crystals: Quantum-chemical Simula- tions //Solid State Phenomena. 2008, v. 131–133, p. 271–276. 2. J. Narayan, J. Fletcher. Radiation Damage and its Annealing in Semiconductors //Defects in Semiconduc- tors / Editors Narayan and Tan. North-Holland Publish- ing, Inc., 1981, р. 191–207. 3. A.P. Dolgolenko. Variation of Carrier Removal Rate with Irradiation Dose in Fast-Pile Neutron Irradi- ated n-Si //Phys. Stat. Sol. (a). 2000, v. 179, p. 179–188. 4. A.P. Dolgolenko, P.G. Litovchenko, M.D. Va- rentsov, G.P. Gaidar, A.P. Litovchenko. Particularities of the formation of radiation defects in silicon with low and high concentrations of oxygen //Phys. Stat. Sol. (b). 2006, v. 243, N 8, p. 1842–1852. 5. А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко, А.П. Литовченко. Влияние облучения 24 ГэВ про- тонами на электрофизические свойства высоко- омного кремния n-типа //Матер. наук. конф. ІЯД НАНУ. Збірник наукових праць. 1998, c. 184–186. 6. A.P. Dolgolenko, P.G. Litovchenko, A.P. Lito- vchenko, M.D. Varentsov, V.F. Lastovetsky, G.P. Gaidar. Influence of growing and doping meth- ods on radiation hardness of n-Si irradiated by fast- pile neutrons //Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2004, v. 7, N 1, p. 8–15. 7. А.П. Долголенко. Радиационные эффекты в кремнии: Препринт 76–23. К.: Ин-т ядерных иссле- дований АН УССР, 1976, 12 с. 8. А.П. Долголенко, М.Д. Варенцов, Г.П. Гай- дар, П.Г. Литовченко. Термический отжиг кластеров и точечных дефектов в n-Si (Сz), облученном быст- рыми нейтронами реактора //Ядерна фізика та ене- ргетика (Nuclear Physics and Atomic Energy). 2008, № 2 (24), c. 73–80. 9. М.Д. Варенцов, Г.П. Гайдар, О.П. Дол- голенко, П.Г. Литовченко. Відпал кластерів дефектів у зразках Si та Si<Ge>, вирощених методом Чох- ральського //Укр. фіз. журн. 2007, т. 52, N 4, с. 372– 377; Ukr. J. Phys. 2007, v. 52, N 4, p. 372–377. 10. J.H. Evans. Observations of a Regular Void Array in High Purity Molybdenum irradiated with 2 MeV Nitrogen Ions //Nature. 1971, v. 229, p. 403– 404. 11. В.И. Cугаков. О сверхрешетках плотности дефектов в облученных кристаллах: Препринт 84- 70Р. К.: Институт теоретической физики АН УССР, 1984, 30 с. 12. G. Nicolis, I. Prigozhin. Self-organization in Non-equlibrium Systems. New York: Wileyc, 1997, 207 p. 13. C. Abromeit. Microstructural self-organization in irradiated systems //International Journal of Modern Physics B. 1989, v. 3, N 9, p. 1301–1342. 14. S.V. Naidu, A.Sen Gupta, R. Roy, P. Sen. Iso- chronal annealing study of neutron induced defects in single and poly crystals of molybdenum //Phys. Lett. A. 1984, v. 101, issue 9, p. 512–513. 15. B.J. Masters. Proton-enhanced diffusion and the diffusion length of vacancies in silicon //Proc. of the X Intern. Conf. on Defects and Radiation Effects in Semiconductors. Nice, 1978. Inst. of Phys., Conf. Ser. 46, Bristol & London & New York. 1979, p. 545– 550. 16. B. Hourahine, R. Jones, A.N. Safonov, S. Oberg, P.R. Briddon, S.K. Estreicher. Identification of the hexavacancy in silicon with the B804 optical cen- ter //Phys. Rev. B. 2000, v. 61, issue 19, p. 12594– 12597. Статья поступила в редакцию 20.10.2008 г. ОТРИМАННЯ ВИСОКООМНОГО КРЕМНІЮ З ПІДВИЩЕНОЮ РАДІАЦІЙНОЮ СТІЙКІСТЮ: КРИТЕРІЇ ТА УМОВИ Г.П. Гайдар, О.П. Долголенко, П.Г. Литовченко Уведено критерій радіаційної стійкості кремнію n-типу провідності. Запропоновано умови опромінення та розглянуто способи отримання матеріалу, який має підвищену радіаційну стійкість. Показано можливість кластеризації дефектів у кремнії як при опроміненні високоенергетичними протонами, так і при відпалі кла- стерів дефектів у певному інтервалі температур. Обговорено перспективи створення надґратки вакансійних пор у кремнії. PRODUCING OF HIGH-RESISTANCE SILICON WITH INCREASED RADIATION HARDNESS: CRITERIA AND CONDITIONS G.P. Gaidar, A.P. Dolgolenko, P.G. Litovchenko The criterion of radiation hardness for n-type silicon is determined. The irradiation conditions are proposed and the methods to obtain the material with improved radiation hardness are discussed. It is shown the possibility of clusterization of defects in silicon both under the irradiation by the high energy protons and during the annealing of defect clusters in the specific temperature interval. The perspective for the formation of superlattice of vacancy pores in silicon is considered. 269

Получение высокоомного кремния с повышенной радиационной стойкостью: критерии и условия

Institution

Ähnliche Einträge