Вплив попереднього опромінення на преципітацію кисню і радіаційну стійкість кремнію для детекторів ядерних випромінювань

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

(01.04.07. - фізика твердого тіла)

Вплив попереднього опромінення на преципітацію кисню і радіаційну стійкість кремнію для детекторів ядерних випромінювань

Литовченко Олексій Петрович

Чернівці - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науковому центрі "Інститут ядерних досліджень" НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Сугаков Володимир Йосипович, Науковий центр "Інститут ядерних досліджень" НАН України, завідувач відділом;

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Корбутяк Дмитро Васильович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділом;

доктор фізико-математичних наук, професор Фодчук Ігор Михайлович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри фізики твердого тіла

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра загальної фізики фізичного факультету.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький

Анотація

Литовченко О.П. Вплив попереднього опромінення на преципітацію кисню і радіаційну стійкість кремнію для детекторів ядерних випромінювань. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. -- фізика твердого тіла -- Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2001.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню впливу ядерного опромінення на кінетику преципітації кисню в кремнії при термовідпалі та впливу попереднього опромінення на радіаційну стійкість Si, який використовується для детекторів ядерних випромінювань. В опроміненому нейтронами Si у межах температур 600-1000?С спостерігається скорочення тривалості початкового процесу преципітації кисню від 300 до кількох годин. Прискорення преципітації кисню визначається загальною концентрацією точкових радіаційних дефектів. Попереднє опромінення Si нейтронами з наступним відпалом приводить до створення стоків для первинних радіаційних дефектів, що нейтронно-легованому Si підвищує радіаційну стійкість до гамма і нейтронного опромінення в 10 і 2 рази відповідно.

Розроблені радіаційно стійкі детектори нейтронів із конвертором та p-i-n діоди для дозиметрії швидких нейтронів із підвищеною чутливістю, яка перевищує характеристики відомих аналогів.

Ключові слова: радіаційні дефекти, кремній, преципітація кисню, нейтронне легування, нейтрони, детектори.

Аннотация

Литовченко А.П. Влияние предварительного облучения на преципитацию кислорода и радиационную стойкость кремния для детекторов ядерных излучений. -- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела -- Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2001.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния ядерного излучения на кинетику преципитации кислорода в кремнии при термоотжиге и влиянию предварительного облучения на радиационную стойкость кремния, который используется для изготовления детекторов ядерных излучений.

Исследования преципитации избыточного кислорода в образцах кремния при термообработках 600-1000^оС, облученных нейтронами атомного реактора, показали, что время зарождения центров преципитации значительно сокращается, а кинетика преципитации ускоряется в облученных образцах. При дозе облучения выше 5?10¹⁶ н/см² скорость преципитации несущественно меняется с дозой. Показано, что в облученном нейтронами кремнии время 50% преципитации кислорода сокращается почти на порядок. Ускорение преципитации кислорода определяется общей концентрацией наведенных точечных радиационных дефектов типа А-центров, дивакансий и других комплексов.

В облученных образцах концентрация центров преципитации радиационного происхождения превышает концентрацию таковых, созданных при выращивании кристаллов и термообработке. Поэтому эти центры определяют кинетику преципитации кислорода в кремнии при термообработке.

Эффект ускорения преципитации избыточного кислорода подтверждается результатами исследований дефектов структуры, которые сопровождают преципитацию.

Предварительное облучение и термоотжиг создают стоки для первичных радиационных дефектов и некоторых примесных атомов, присутствующих в кремнии. Поэтому предварительное облучение с последующим термоотжигом позволило повысить радиационную стойкость кремния.

Показано, что в нейтронно-легированном материале скорость удаления носителей при облучении ?- квантами на порядок меньше, чем в контрольных образцах, а при облучении нейтронами -- в два раза меньше, чем в контрольных.

Поскольку при нейтронном легировании происходит облучение широким спектром ядерных излучений, то нейтронное легирование является, по сути, вариантом метода предварительного облучения, приводящего к повышению радиационной стойкости кремния и других полупроводниковых материалов. Так, на примере InSb, показано, что предварительное облучение протонами с энергией 47 МэВ дает возможность повысить его радиационную стойкость.

Результаты исследований поведения примеси кислорода и радиационных дефектов в кремнии были использованы при разработке высокочувствительных дозиметров нейтронов и твердотельных детекторов для спектроскопии ядерных излучений. На базе нейтронно-легированного кремния были созданы радиационно стойкие детекторы ядерных излучений. На основе высокоомного кремния разработаны p-i-n диоды для дозиметрии быстрых нейтронов, основанные на влиянии радиационных дефектов на изменение прямого тока этих диодов. Чувствительность таких дозиметров была выше известных аналогов.

Ключевые слова: радиационные дефекты, кремний, преципитация кислорода, нейтронное легирование, нейтроны, детекторы.

Annotation

Litovchenko A.P. The preliminary irradiation influence on the oxygen precipitation and radiation hardness of silicon for the nuclear radiation detectors. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in physics and mathematics on speciality 01.04.07. -- Solid state physics -- The Yuriy Fedkovich National University of Chernovtsy, Chernovtsy, 2001.

The dissertation is devoted to an experimental research of the nuclear irradiation influence on the oxygen precipitation kinetics in silicon at thermoannealing and the influence of preliminary irradiation on radiation hardness of silicon that is used for the nuclear radiations detectors. Silicon irradiated by neutrons in a temperature range of 600-1000єС the initial process duration of oxygen precipitation decreasing from 300 till several hours is to be observed. Acceleration precipitation of oxygen is defined by the overall concentration of the radiation point defects. The previous irradiation silicon by neutrons with the following annealing results in sinks creation for initial radiation defects. The neutron transmutation doped silicon due to such sinks the radiation hardness to gamma and neutron irradiation in 10 and 2 times raises accordingly.

The radiation stable detectors with the converter and the high sensitivity p-i-n diodes for the fast neutrons dosimetry and which exceeds the characteristic of known analogs were developed.

Keywords: radiation defects, silicon, precipitation oxygen, a neutron doping of silicon, neutrons, detectors.

1. Загальна характеристика роботи

преципітація кисень ядерний опромінення

Актуальність теми. Основним матеріалом для сучасної твердотільної електроніки являється кремній. Для різних видів детекторів ядерних випромінювань використовується високоякісний Si, вимоги до якого неухильно зростають. Кремнієві детектори ядерних випромінювань використовують у різних ядерно-фізичних експериментах на прискорювачах ядерних частинок, атомних реакторах та в інших областях.

Оскільки детектори працюють у змішаних полях ядерної радіації, важливо підвищити їх радіаційний ресурс для подовження терміну їх функціонування. Особливо це важливо для експериментів, які проводяться на багатодетекторних ядерних установках CERN (Женева), ОІЯД (Дубна), НЦ ІЯД НАНУ та інших.

Кисень являється однією з технологічних домішок, яка завжди присутня в Si у різних концентраціях. При термічних і радіаційних обробках він приймає участь у різних домішково-дефектних комплексах (А-центри, преципітати SiO₂), які суттєво впливають на властивості матеріалу та характеристики приладів на його основі. Тому дослідження впливу попереднього опромінення на преципітацію кисню і радіаційну стійкість кремнію являються актуальними з наукової й практичної точки зору.

Незважаючи на те що дослідники займаються цією проблемою багато років, залишилось багато невирішених питань.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках наступних тем:

1. “Кінетика перебудови дефектно-домішкових комплексів при радіаційно-термічних обробках кремнію і бінарних напівпровідників”, 1995-1999 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 1 від 21.01.1995 р., № ДР 0195U026117, Держ. облік. № 0299U004122).

2. “Електричні властивості розупорядкованих напівпровідників та використання радіаційних ефектів при створенні напівпровідникових детекторів ядерних випромінювань”, 1997-2000 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 10 від 24.12.1996 р., № ДР 0197U016405, Держ. облік. № 0201U001587).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є з'ясування впливу попереднього опромінення на преципітацію кисню в кремнії та розробка методів підвищення радіаційної стійкості кремнію для твердотільних детекторів ядерних випромінювань.

Для досягнення визначеної мети вирішувались такі задачі:

Експериментальне дослідження впливу попереднього ядерного опромінення на преципітацію кисню в кремнії;

Проведення комплексних досліджень радіаційної стійкості кремнію, в тому числі нейтронно-легованого;

Дослідження структурних, оптичних та електрофізичних властивостей кремнію після нейтронного опромінення;

Розробка дозиметрів на основі р-і-n діодів для вимірів доз швидких нейтронів;

Розробка кремній-літієвих детекторів;

Розробка напівпровідникових детекторів із конверторами для виміру нейтронних потоків у широкому інтервалі енергій.

Об'єкт дослідження -- кінетика преципітації кисню в опроміненому кремнії; вплив попереднього опромінення на радіаційну стійкість кремнію, характеристики детекторів ядерних випромінювань.

Предмет дослідження -- монокристалічний кремній, вирощений методом Чохральського та безтигельної зонної плавки, попередньо опромінений та нейтронно-легований кремній, детектори ядерних випромінювань.

Методи дослідження -- Основними експериментальними методами були:

вимірювання оптичного поглинання світла у кремнії в інфрачервоній області;

вимірювання температурної залежністі Холл-ефекта;

вивчення структурних дефектів методом вибіркового травлення та електронної мікроскопії;

виміри спектрометричних та електрофізичних характеристик детекторів.

Наукова новизна одержаних результатів. Переважна більшість приведених у дисертації результатів є оригінальними і новими. Основними з них є:

Експериментально встановлено, що процес преципітації кисню на ростових дефектах описується залежністю від часу ~t^1.7?2. В опромінених кристалах основний процес преципітації описується залежністю від часу t з показником степені біля одиниці. В опроміненому кремнії відбувається скорочення часу преципітації кисню (інкубаційний період) від 300 годин у вихідному кремнії до кількох годин в опроміненому кремнії. Це явище пояснюється додатковим введенням центрів зародків преципітатів за участю первинних радіаційних дефектів генерованих опроміненням.

В сильно опромінених і термооброблених при 800°С зразках спостерігається зменшення концентрації дефектів і збільшення їх розміру, що може бути пов'язано з явищем коалесценції.

Прискорення преципітації кисню визначається загальною концентрацією наведених точкових радіаційних дефектів, тобто флюенсом опромінення.

Час 50% преципітації кисню скорочується майже на порядок у кремнії опроміненому нейтронами.

Попереднє опромінення кремнію нейтронами з наступним відпалом приводить до створення стоків для первинних радіаційних дефектів. Ці стоки являються комплексами радіаційних дефектів із нейтральними домішками (типу С,О), які завжди присутні в кремнії. В нейтронно-легованому кремнії за рахунок таких стоків підвищується радіаційна стійкість до гамма і нейтронного опромінення в 10 і 2 рази відповідно.

Практичне значення одержаних результатів. Використання попереднього опромінення дозволяє підвищити радіаційну стійкість кремнію, що важливо для виготовлення різних типів приладів твердотільної електроніки.

Введення за допомогою опромінення центрів зародків преципітатів дозволяє прискорити процес очищення кремнію від домішок.

На основі високоомного безкисневого кремнію розроблені дозиметри із підвищеною чутливістю та детектори ядерних випромінювань з підвищеною радіаційною стійкістю на основі нейтронно-легованого кремнію.

Особистий внесок здобувача. Дисертант безпосередньо брав участь у постановці задач та визначенні методів їх, вирішення; він особисто поставив експериментальні методики для досліджень, виконав повний обсяг експериментів та вимірювань, результати яких лягли в основу роботи [1-12]. Автору належить суттєва роль в обробці та інтерпретації результатів, накопичених у результаті проведених досліджень [1-5], створенні моделей фізичних процесів та написанні наукових статей [1-10, 12].

Апробація результатів роботи. Основні результати досліджень, викладені в дисертаційній роботі, доповідались й обговорювались на семінарах відділу радіаційної фізики НЦ ІЯД НАНУ, на щорічних наукових конференціях НЦ ІЯД НАНУ (1998, 1999, 2000, 2001 рр.), на Міжнародних нарадах і конференціях: 9^th International Congress on Radiation Protection (Vienna, Austria, 1996).

12^th International Conference on Solid State Dosimetry (Burgos, Spain, 1998).5^th International Conference on Application of semiconductor detectors in nuclear physical problems (Riga, Latvia, 1998). 3^rd ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors, DESY (Hamburg, Germany, 1998). 4^th ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors, CERN (Geneva, Switzerland, 1998). ROSE Meeting on Radiation Hardening of Silicon Detectors, CERN (Geneva, Switzerland, 1999).

Публікації. В ході виконання роботи за темою дисертації опубліковано 12 робіт, в тому числі 4 у фахових журналах, 6 у збірниках наукових праць регіональних і міжнародних конференцій та 2 тезах міжнародних нарад. Перелік публікацій наведено в кінці автореферату.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 168 найменувань. Загальний обсяг роботи складає 155 сторінок і містить 42 ілюстрації та 9 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи: розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано необхідність проведення досліджень і відзначено актуальність теми дисертації; сформульована мета роботи; відзначена новизна отриманих результатів та їх практичне значення; відзначено особистий внесок здобувача.

В першому розділі проведено огляд літератури за темою дисертації. розглянуто механізми виникнення основних типів радіаційних дефектів в кремнії і описано їх властивості.

Проведено аналіз робіт по впливу ядерної радіації на електрофізичні властивості надчистого кремнію. Висвітлена поведінка кисню в кремнії. Відзначається, що зародження кисневокремнієвих мікропреципітатів відбувається безперервно вже в процесі охолодження вирощеного зливка кремнію, розмір їх визначається умовами охолодження. При наступній термообробці в кремнії спостерігається утворення преципітатів, що виростають із ростових мікропреципітатів, а також ті, які виросли із зародків, що гомогенно сформувалися при нагріванні.

У другому розділі описано основні експериментальні методики й установки, які використовувались у роботі. Основними методами досліджень являються: ефект Холла, оптичний, електронномікроскопічний, вибіркове травлення кремнію та спектрометричне обладнання для виміру енергетичних спектрів ядерних частинок твердотільними детекторами. Дослідження структури зразків кремнію виконувались на електронному мікроскопі BS 620 “Tesla” із прискорюючою напругою до 100 кВ. Спектроскопічні дослідження проводились на спектрофотометрі Specord 75ІR по вимірюванню коефіцієнта поглинання кремнію ? в максимумі смуги 1110 см^-1 при кімнатній температурі, та спектрів поглинання кремнію в області 1000?1300 см^-1, яке є характерним для різних видів окислів кремнію.

Опромінення зразків Si проводилось на реакторі ВВР-10М та циклотроні У-240 НЦ “Інститут ядерних досліджень” при температурах не вище 70^oС.

У третьому розділі приведено результати дослідження впливу попереднього опромінення на преципітацію кисню в кремнії при термообробці. Досліджувалась залежність швидкості преципітації надлишкового кисню в кремнії, попередньо опроміненого швидкими нейтронами в інтервалі флюенсів 10¹⁵?10¹⁹ н/см², від температури термообробки.

Кінетика преципітації надлишкового кисню в зразках Si, термооброблених при 600°С, 700°С, 800°С та 1000°С, вивчалася методами інфрачервоної спектроскопії та вибіркового травлення. Досліджувався кремній, вирощений у напрямку [100], із початковою концентрацією розчиненого кисню 7ё8Ч10¹⁷ см^-3. Тривалість відпалу складала 0,5?400 годин. Концентрація кисню на різних етапах ізотермічного відпалу для кожної з досліджуваних температур контролювалася за коефіцієнтом поглинання a в максимумі смуги 1110 см^-1 при кімнатній температурі. Приведені кінетичні залежності a = f(t) для досліджуваних температур відпалу зразків. Спостерігається зменшення величини ? з часом термообробки, що свідчить про зменшення кількості розчиненого кисню в зразках унаслідок виходу його з розчину. Видно, що в зразках, опромінених різними флюенсами швидких нейтронів, коефіцієнт ? спадає з часом відпалу значно швидше, ніж у неопроміненому кремнії.

Для кількісного порівняння в таблиці 1 приведені значення часу t_п-50%-го зменшення величини a, тобто часу половинного зменшення концентрації розчиненого кисню в опромінених кристалах.

Таблиця 1. Час t_п 50% преципітації кисню в кристалах кремнію після нейтронного опромінення та відпалу

Т,°C	Ф=1015н/см2	Ф=5Ч1016н/см2	Ф=1018н/см2
600	70 год.	50 год.	15 год.
700	22 год.	14 год.	14 год.
800	16 год.	12 год.	10 год.

Для неопромінених зразків зміна величини a для даних часів відпалу і досліджених температур становила менше 50%, тому дані для них у таблиці відсутні. Таким чином, як видно з рис. 1 та таблиці 1, преципітація кисню в опромінених зразках кремнію відбувається за менший час відпалу, ніж у неопромінених. З порівняння величин t_п для різних температур обробки зразків видно, що t_п зменшується з ростом температури нагріву. При опроміненні кремнію флюенсами нейтронів більшими 5Ч10¹⁶ н/см² різниця в t_п для досліджуваних температур відпалу стає малою.

Залежності ?(t) були проаналізовані з метою отримання даних про поведінку кисню на різних етапах ізотермічного відпалу.

Якщо вважати, що кінетика преципітації кисню визначається дифузією атомів кисню та власних точкових дефектів кремнію і припустити, що преципітати нової фази SiO_x мають сферичну форму, а їх концентрація і коефіцієнт дифузії кисню залишаються постійними при відпалі, то, при певній термообробці кремнію зміна концентрації кисню з часом відпалу матиме вигляд:

, (1)

для малої тривалості відпалу, коли менше 50 % розчиненого кисню бере участь у преципітації.

При тривалому відпалі:

; (2)

де: С_о -- початкова концентрація кисню в кремнії;

С_t -- концентрація кисню, що залишився в розчині;

С' -- концентрація кисню, що відповідає межі розчинності його в кремнії при температурі обробки;

С_p -- концентрація кисню в преципітаті (~ 4 10²² ат/см³ для SiO₂ );

D -- коефіцієнт дифузії кисню в кремнії;

r -- радіус сфери навколо преципітату, який визначається зі співвідношення 4/3?pR³N = 1, де N -- концентрація преципітатів.

Для визначення кінетичних показників з експериментальних даних були побудовані в логарифмічному масштабі криві згідно з рівнянням (1), (2). Нахили кривих характеризують показники степені при t у рівняннях (1), (2).

При відпалі неопроміненого зразка кремнію до 400 годин при 600°С нахил кривої складав 1,7?1,9, тобто виявився близьким до показника степеню при t в рівнянні (1). Для зразків кремнію, опромінених флюенсами 10¹⁵ і 5?10¹⁶ н/см², відповідний нахил зменшувався до 1, а після опромінювання зразків флюенсом 10¹⁸н/см² цей показник зменшувався до 0,4. При 700°С відпалі для неопроміненого зразка від часу відпалу нахил має значення 1,7. Після опромінення флюенсом 10¹⁵ н/см² подібний нахил на кінетичній залежності зберігався до 30 годин відпалу, але далі він зменшувався до 0,7 при подальшому відпалі. Зі збільшенням потоку опромінення спостерігався тільки один нахил близький до 0,7.

При 800°С відпалі зразків кремнію, опромінених флюенсом 10¹⁵ н/см², спостерігаються два нахили, що відповідають залежностям t^1,8?2, t^0,7?0,8. Перший нахил спостерігається до 10 годин нагріву. При подальшому збільшенні флюенсу опромінення він зникає й залишається один нахил, близький до 1. Останнє дає підставу вважати, що процес преципітації кисню в кремнії наближається до гомогенного і рівняння (2) можна використовувати для визначення константи часу преципітації ?.

Ефект прискорення преципітації надлишкового кисню в опромінених нейтронами зразках підтверджується результатами досліджень дефектів структури, що супроводжують преципітацію. На картинках вибіркового травлення спостерігається зростання концентрації дефектів на ранніх стадіях відпалу опромінених зразків кремнію.

При 600°С відпалі неопромінених зразків дефекти не виявлені навіть після 126 годин нагріву. При 57-годинному відпалі в нейтронно-опромінених зразках виявились лише смуги напруження, пов'язані із шаруватим розподілом кисню в зразках кремнію вздовж напрямку [100]. Ця температура недостатня для утворення дефектів, що супроводжують преципітацію надлишкового кисню в кремнії. Стягування атомів кисню супроводжується лише сильним напруженням ґратки кремнію.

В термообробленому при 700°С протягом 50 годин вихідному кремнію дефекти також не виявлялися. В опромінених нейтронами зразках після подібної термообробки (700°С) дефекти виявлені: через 5 годин відпалу -- (Ф _.”10¹⁸ н/см²), 10 годин -- (Ф ”10¹⁶ н/см²), та 15 годин -- (Ф ”10¹⁵ н/см²).

При термообробці 800°С неопромінених зразків дефекти не виявлені до 30 годин відпалу. Після опромінення нейтронами дефекти виявляються через 5-17 годин відпалу, залежно від флюенсу опромінення (10¹⁸?10¹⁵н/см²). В опроміненому нейтронами зразку при найбільшому флюенсі спостерігалось зменшення концентрації дефектів при зростанні їх розмірів. Ефект, можливо, пов'язаний з явищем коалесценції: відпалом малих дефектів і збільшенням за їх рахунок інших дефектів.

В опроміненому швидкими нейтронами кремнії складні радіаційні дефекти типу областей розупорядкування відпалюються у дві стадії: при 400°С та 700°С. З метою виявлення впливу таких дефектів досліджена кінетика преципітації кисню при 1000°С, коли швидкість преципітації кисню в кремнії максимальна, після попереднього відпалу опромінених зразків при 700°С та 400°С протягом півгодини.

В таблиці 2 наведені дані часу t_п 50% преципітації кисню в зразках Si, що перед високотемпературною (1000°С) обробкою попередньо відпалювалися при 700°С або 400°С протягом 0,5 години, в залежності від флюенсу опромінення.

Таблиця 2. Час 50% преципітації кисню в годинах у кристалах кремнію, відпалених при 1000 °С

Попередня термообробка	Кремній неопромінений	Кремній опромінений
		Ф=1016н/см2	Ф=1019н/см2
--	26	8,5	3
700°С (0,5год.)	12	9	2,5
400°С (0,5год.)	14,5	8,5	2,5

Приведені в таблиці 2 дані свідчать про те, що такий попередній відпал опромінених кристалів не впливає на час преципітації кисню. Вплив складних дефектів типу областей розупорядкування не виявляється. У випадку неопромінених зразків при цьому спостерігається зменшення величини t_п. Ефект прискорення преципітації в таких зразках спричинений створенням при низькотемпературній обробці додаткових центрів зародків преципітатів.

Зменшення часу 50% преципітації кисню t_п від 26 годин до 3-8,5 годин в опромінених зразках зумовлено зміною загальної концентрації наведених точкових радіаційних дефектів, тобто величиною флюенсу нейтронів. При порівнянні термооброблених опромінених і неопромінених зразків можна вважати, що вплив радіаційних дефектів на преципітацію кисню переважає вплив наведених термічних дефектів. Попередня термообробка при 400 та 700°С не впливає на величину t_п при 1000°С-обробці опромінених зразків.

Вплив радіаційних дефектів проявляється в скороченні інкубаційного періоду процесу преципітації, тобто в збільшенні числа місць зародження. Як наслідок цього -- зсув кінетичної кривої = f(t) для флюенсу 10¹⁵ н/см² в бік меншого часу відпалу. Збереження двох нахилів у цій залежності свідчить про те, що кінетика процесу в цьому випадку не змінюється в порівнянні з неопроміненим зразком. Зменшення нахилу і його однакове значення, що спостерігається при опроміненні кремнію флюенсами 5Ч10¹⁶ н/см² і 10¹⁸ н/см², вказує на більший вплив радіаційних дефектів в порівнянні з термічними. При флюенсі опромінення ?10¹⁶ н/см² процес преципітації кисню в кремнії стає гомогенним і кінетика преципітації обумовлюється в основному радіаційними дефектами, наведеними попереднім опроміненням нейтронами.

У четвертому розділі приведені результати дослідження впливу попереднього опромінення на радіаційну стійкість кремнію.

Дослідження велось шляхом вимінювання інфрачервоного поглинання в кремнії, яке є ефективним методом дослідження радіаційних ефектів завдяки збільшенню прозорості кристалів в області довжин хвиль за краєм смуги основного поглинання, що обумовлюється зменшенням концентрації основних носіїв струму завдяки компенсуючої дії радіаційних дефектів.

Проведено дослідження спектрів білякрайового поглинання зонного кремнію в спектральній області 2-1,1 мкм на великому наборі зразків підданих різним комбінаціям попередніх радіаційних обробок. Приведений диференціальний спектр пропускання контрольного зразка Si без попередньої радіаційної обробки у порівнянні зі зразком, попередньо опроміненим швидкими нейтронами. Обидва зразки відпалені, потім опромінені ?=10¹⁶ н/cм².

Оскільки зразки були відрізані від одного зливка і їх поверхні були оброблені однаковим способом та мали однакову товщину, а попередній 800^оС відпал, як відомо, приводить до повного відпалу дефектів, які фіксуються по інфрачервоному поглинанню, то розходження в інтенсивності їхнього пропускання варто віднести тільки за рахунок попередньої радіаційної обробки зразка швидкими нейтронами. Як видно з малюнка інтенсивність поглинання в контрольному зразку більше, ніж в опроміненому.

Приведений диференціальний спектр пропускання двох зразків, опромінених швидкими нейтронами ?=10¹⁶ н/cм², які пройшли різну попередню радіаційну обробку. Видно, що інтенсивність поглинання в цих зразках не залежить від способу попередньої радіаційної обробки, використовуваної у даному експерименті (опромінення швидкими й тепловими нейтронами та ?- квантами і тепловими нейтронами).

Таким чином, приведені дослідження наочно демонструють, що попередня радіаційна обробка зразків швидкими або тепловими нейтронами приводить до підвищення радіаційної стійкості кремнію відносно утворення складних порушень типу областей розупорядкування.

Нейтронне легування кремнію, по суті, є одним із варіантів методу підвищення радіаційної стійкості кремнію за допомогою попереднього опромінення.

Після опромінення зразків різними дозами теплових нейтронів і відпалу при 850°С були отримані зразки p-Si з питомим опором (12-40) кОм?см і n-Si з концентрацією носіїв n=1,4?10¹² см^-3.

Проведені дослідження радіаційної стійкості нейтронно легованого кремнію (НЛК) n- і р- типу при опроміненні ?- квантами ⁶⁰Со і швидкими нейтронами реактора з ефективною енергією (Е_n~1 МеВ). Показали, що у нейтронно-легованому n-Si швидкість видалення носіїв при ?- опроміненні більш ніж на порядок менше, ніж у контрольному зразку, а при нейтронному опроміненні швидкість видалення менше приблизно в 2 рази. У високоомному нейтронно легованому кремнії р-типу провідності (?~10-40 кОм?см ) не виявлено помітної відмінності радіаційної стійкості від контрольних зразків p-Si. Це, очевидно, пов'язано з малою дозою опромінення, потрібної для отримання високоомного p-Si, і як наслідок, малою концентрацією введених опроміненням стоків.

При нейтронному легуванні відбувається опромінення кристалів тепловими нейтронами, швидкими нейтронами й гама квантами. Після трансмутаційного легування кремнію і наступного відпалу при 850°С дефекти вакансійного типу об'єднуються й утворюють електрично неактивні вакансійні комплекси, а дефекти міжвузлового типу при відпалі перетворюються в комплекси міжвузлового типу ( мікродефекти типу A, B, D).

Через деформацію кристалічної ґратки навколо таких скупчень виникають поля пружних напружень стиску. Під впливом цих полів до скупчень мігрують генеровані випромінюванням вакансії і міжвузлові атоми, де вони можуть анігілювати чи утворювати комплекси один з одним (наприклад, дівакансії). Тому концентрація первинних вакансій, здатних брати участь в утворенні комплексів з домішковими атомами в об'ємі кристалу, значно менша, ніж у звичайному зонному матеріалі. А це приводить до меншої ефективності утворення Е-центрів у нейтронно легованому кремнії.

Домішково-дефектні скупчення можуть складатися з комплексів (C_i-C_s). Крім них у скупчення входять власні міжвузілля, міжвузловий вуглець C_i або їхні асоціації, які в умовах експерименту електрично нейтральні. Середній радіус області по оцінках складає ?1,3?10^-4 см.

Природно, що радіаційна стійкість нейтронно легованого кремнію буде також залежати як від концентрації стоків, так і введеного трансмутацією фосфору. Для найкращого ефекту необхідно в кожному конкретному випадку мати оптимальне їхнє співвідношення. Таким чином, отриманий нами нейтронно легований кремній n- типу для виготовлення детекторів ядерних випромінювань має підвищену радіаційну стійкість до дії ?- випромінювання ⁶⁰Co і швидких нейтронів. Це обумовлено дією стоків різної природи, що утворились при нейтронному легуванні і наступних термообробках кремнію.

Дослідження залежності концентрації носіїв заряду в кисневому Si від дози опромінення 24 ГеВ протонами показало, що в кисневому кремнії швидкість введення носіїв менша, ніж у стандартному кремнії. Це пов'язано з тим, що міжвузельний кисень “придушує” утворення Е-центрів. Але кисень не тільки відволікає потік вакансій від атомів фосфору, а також зменшує потік вакансій та дівакансій до кластерів дефектів, що приводить до зменшення розмірів великих кластерів дефектів. Таким чином, домішка кисню дозволяє підвищити радіаційну стійкість кремнію.

Попереднє опромінення дає можливість підвищити радіаційну стійкість не тільки кремнію, а й других матеріалів. Це можна продемонструвати на прикладі антимоніду індію, використовуваного в якості модельного матеріалу.

Зразки InSb опромінювались 47 МеВ протонами з інтенсивністю (1-6)?10¹² р/см²?сек на ізохронному циклотроні У-240 НЦ ІЯД НАН України до дози ?10¹⁶ р/см² при температурі 100-120К, а потім відпалювались при підвищеній температурі.

Повторне опромінення цих зразків 47 МеВ протонами показало, що швидкість введення радіаційних дефектів у таких зразках різко зменшилась. Зменшення швидкості введення радіаційних дефектів пов'язане з уведенням стоків для первинних дефектів.

Аналізуючи отримані результати, можна зробити висновок, що комбінація попереднього опромінення з термовідпалом дозволить отримати матеріал із підвищеною радіаційною стійкістю і на базі його створити радіаційно стійкі детектори ядерних випромінювань та інші прилади твердотільної електроніки. Різниця в дії ? і нейтронного на нейтронно легований кремній пов'язана з тим що при ?-опроміненні утворюються прості точкові дефекти, які частково захоплюються стоками, а при нейтронному опроміненні крім точкових, утворюються значна кількість складних дефектів, на які стоки не впливають.

В п'ятому розділі приводяться результати досліджень характеристик детекторів ядерних випромінювань, які розроблені на основі кремнію з використанням результатів, приведених у попередніх розділах.

Дозиметрія швидких нейтронів базується на зміні характеристик p-i-n діодів за рахунок радіаційних дефектів, індукованих опроміненням.

Для підвищення чутливості дозиметрів швидких нейтронів потрібно використовувати кремній з малою радіаційною стійкістю, тому для розробки високочутливих p-i-n діодів використовували малокисневий високоомний кремній з великим часом життя носіїв заряду.

Експериментальні зразки діодів із довгою базою були виготовлені на основі промислового n-Si із питомим опором ?10³ Ом?см. P-i-n діоди з товщиною бази1,2; 2,2; 3,2 мм мали чутливість до швидких нейтронів реактора 0,1; 0,5; 0,9 В/Гр, відповідно.

Діоди, виготовлені зі спеціально відібраного кремнію з високим питомим опором і малою концентрацією кисню, мають чутливість ?5 В/Гр, що перевищує характеристики відомих аналогів.

Для вимірів потоків теплових і епітермальних нейтронів використовуються кремнієві детектори з конверторами. Як правило, ці виміри проводяться на атомному реакторі, де крім теплових нейтронів є високий радіаційний фон швидких нейтронів і гамма-випромінювання. Тому до таких детекторів пред'являються високі вимоги по радіаційній стійкості й збереженню протягом тривалого часу їх, параметрів.

Як було показано у попередніх розділах, нейтронно легований кремній має більш високу радіаційну стійкість по відношенню до металургійного кремнію з аналогічними параметрами. Тому для підвищення радіаційного ресурсу всієї системи детектори були виготовлені на базі нейтронно легованого n-типу з питомим опором ~ 1,5кОм?см і ?~250 мкс.

Використовувався ²³⁵U оксид-протоксид конвертор із збагаченням 99,92 %, товщиною 1,5?10^-4 м, масою 1?10^-6 кг і ?- активністю 81 Бк, виготовлений на Al підкладці, який монтувався перед кремнієвим поверхнево - бар'єрним детектором площею 1 см².

Уламки ядер ²³⁵U після процесу поділу, викликаного захопленням нейтрона, мають енергію ?70 МеВ, яка набагато більша ніж у ?- частинки та ?- кванти, реєструються кремнієвим детектором. Тому сигнал від уламків поділу може бути легко відділений від інших сигналів, обумовлених ?- променями і ?-частками. Ці переваги Si-²³⁵U сенсорів корисні для їхнього використання в змішаних гамма-нейтронних полях. Інша перевага ²³⁵U конвертора пов'язана з наявністю його власного спонтанного ?- розпаду з Е_? ?5 МеВ, що дає можливість виконувати постійне самотестування чутливості детектора. Стабільність потоку ?- частинок у часі дає можливість враховувати зміни чутливості детектора при опроміненні. Оскільки існує велика відмінність між енергією ?- частинок (Е_? ?5 МеВ) і уламків поділу (Е_f ?70 МеВ), можна вимірювати кожну з цих компонент у той самий час і по їхньому відношенню визначати достовірне значення нейтронного потоку. Такий метод дозволяє виключити вплив деградації детектора при опроміненні, оскільки внесок радіаційних ушкоджень у кожну з компонент однаковий.

Розроблені детектори з ²³⁵U конвертором дають лінійну залежність величини сигналу від інтенсивності потоків термальних і епітермальних нейтронів. Ефективність детекторів до теплових нейтронів складає k = 5,5?10^-4 імп/н, а епітермальних нейтронів k = 1,82?10^-5 імп/н.

Для спектроскопії заряджених ядерних частинок потрібні детектори з великою товщиною чутливої області. Виготовити такі детектори можна на основі Si із майже власним питомим опором за рахунок компенсації акцепторних домішок іонами літію. Але присутність кисню та кластерів дефектів вакансійного типу заважає цьому і значно зменшує рухливість іонів Li. Оскільки кисень та інші ростові дефекти неоднорідно розміщені в об'ємі кристалу, то вплив їх буде вирішальним в одержанні якісного матеріалу й детекторів на його основі. Тому використання результатів, викладених у попередньому розділі, по вивченню впливу кисню та дефектів, на властивості кремнію дозволяє частково вирішити це завдання.

При виготовленні кремній-літієвих детекторів було проведено дослідження та вибір безкисневого р-кремнію з великою рухливістю іонів літію, проведено дослідження впливу параметрів вихідного кремнію на рухливість іонів літію, впливу основних характеристик процесу дрейфу на електрофізичні параметри кремній-літієвих структур із великою товщиною чутливої області та розроблена технологія виготовлення детекторів і проведені виміри їхніх електрофізичних та спектрометричних характеристик.

Після кількісної оцінки концентрації кисню в різних зразках Si визначено, що рухливість літію в кремнії з концентрацією бору 10¹³ см^-3 та концентрацією кисню 5?10¹⁵ см^-3 приблизно в п'ять разів перевищує рухливість у кремнії з тією ж концентрацією бору, але в п'ять разів більшою концентрацією кисню (2,5?10¹⁶ см^-3).

При вивченні структури виявлені D- дефекти мають вакансійну природу і в них може бути багато вакансійно-кисневих комплексів n(V,O). Їх розмір 40-60Е і концентрація ?10⁸-10¹² см^-3.

Оскільки вакансії мають від'ємний заряд, а іони літію позитивно заряджені, то D_дефекти являються активними центрами захвату літію і, таким чином, зменшувати рухливість іонів літію, а значить, суттєво зменшують розміри компенсованого об'єму. Таким чином, D-дефекти ведуть себе аналогічно атомам кисню, як центри захвату літію.

При визначенні розподілу мікродефектів ми виявили, що D-дефекти в основному розміщені по центру зливка, тому в цих місцях можливе зменшення товщини чутливої області. Тому, необхідно контролювати вихідний матеріал не лише за розподілом кисню, а й за розподілом мікродефектів.

Для отримання великої товщини чутливої області Si(Li) детекторів використовувався метод дрейфу іонів літію в електричному полі p-n переходу зі зворотною напругою.

Досліджений вплив термічно генерованих носіїв на вольт-ємнісні залежності Si(Li) структур. Показано, що при підвищенні температури дрейфу (що приводить до більш швидкого зростання товщини компенсованої області) більше ніж 120 ^oC, отримаємо і-область з підвищеною провідністю. Якщо вести процес дрейфу при більш високій напрузі і менших температурах, коли спотворення поля термічно -- генерованими електронами й дірками незначне, можна значно покращити рівень компенсації чутливої області. Визначені оптимальні режими дрейфу та наступного вирівнюючого дрейфу (clean up) для одержання значної товщини компенсованої області.

Результати вимірювань вольт-амперних і вольт-ємнісних залежностей показали, що детектори можуть працювати при високій зворотній напрузі (більше 300 В) при рівні зворотних струмів менше 5 мкА, при цьому питома ємність складає (2?3 пФ/см²), що відповідає розміру товщини чутливої області 3?4 мм, достатньої для реєстрації ?- частинок з енергією до 3 МеВ.

Спектрометричні властивості детекторів вимірювались при опроміненні стандартними ?- ?- і ?- джерелами випромінювань. Одержана енергетична роздільна здатність ~1% на ?-джерелі.

Основні результати й висновки

В роботі проведені експериментальні дослідження процесів преципітації кисню в інтервалі температур 600-1000^оС і показаний вплив радіаційних дефектів на кінетику формування центрів зародків преципітатів і кінетику випадання кисню з пересиченого твердого розчину кисню в кремнії. Запропоновано фізичні моделі радіаційних процесів, що відбуваються у попередньо опроміненому кремнії і його вплив на радіаційну стійкість напівпровідникових матеріалів.

Проведені дослідження показали, що дозованим уведенням радіаційних дефектів можна прискорювати процеси преципітації кисню в кремнії при термообробці. Відпал дефектів, які утворені нейтронним опроміненням, не приводить до відновлення первісної структури; залишкові дефекти, будучи електрично - неактивними як і преципітати кисню, виступають при повторному опроміненні стоками радіаційних дефектів, що значно підвищує радіаційну стійкість кремнію й детекторів на його основі. В той же час надчистий кремній n- типу з найменшою концентрацією стоків надзвичайно чутливий до дії радіації, дає можливість розробити аварійні дозиметри для нейтронів. Переважна більшість приведених у дисертації результатів є оригінальними і новими.

Аналіз результатів, отриманих у роботі, дає можливість зробити такі основні висновки:

Експериментально встановлено, що процес преципітації кисню на ростових дефектах описується залежністю від часу ~t^1.7?2. В опромінених кристалах основний процес преципітації описується залежністю від часу t із показником степені біля одиниці. В опроміненому кремнії відбувається скорочення часу преципітації кисню (інкубаційний період) від 300 годин у вихідному кремнії до кількох годин в опроміненому кремнії. Це явище пояснюється додатковим введенням центрів зародків преципітатів за участю первинних радіаційних дефектів генерованих опроміненням.

Прискорення преципітації кисню в опроміненому кремнії визначається загальною концентрацією наведених точкових радіаційних дефектів, тобто флюенсом опромінення. Знайдено, що час 50% преципітації кисню при відпалі (600-800^оС) у кремнії опроміненому нейтронами флюенсом ?10¹⁶ н/см² скорочується майже на порядок.

При опроміненні флюенсом ?10¹⁶ н/см² процес преципітації кисню в кремнії стає гомогенним і кінетика преципітації обумовлюється, в основному, радіаційними дефектами, наведеними попереднім нейтронним опроміненням.

Уперше показано, що попереднє опромінення кремнію нейтронами з наступним відпалом підвищує радіаційну стійкість матеріалу, що обумовлено створенням стоків для первинних радіаційних дефектів. Ці стоки являються комплексами радіаційних дефектів із нейтральними домішками (типу С, О), які завжди присутні в кремнії.

В нейтронно легованому кремнії підвищується радіаційна стійкість до гамма опромінення приблизно у 10 разів і до нейтронного приблизно у 2 рази за рахунок стоків, які створені підчас нейтронного легування і технологічного відпалу кремнію.

Завдяки використанню отриманих даних про влив домішки кисню на радіаційну стійкість кремнію, були розроблені та виготовлені дозиметри швидких і епітермальних нейтронів, на основі високоомного безкисневого кремнію, чутливість яких суттєво перевищує характеристики відомих аналогів.

Детектори з конвертором ²³⁵U виготовлені на основі радіаційно-стійкого нейтронно-легованого кремнію мають підвищену радіаційну стійкість і зберігають свої робочі характеристики в змішаних гамма-нейтронних полях у декілька разів довше ніж стандартні детектори.

Таким чином показано, що попереднє опромінення і відпал придатні для підвищення радіаційної стійкості багатьох напівпровідників, і може бути одним із методів у радіаційно-термічній технології підвищення радіаційної стійкості напівпровідникових матеріалів. Кремній, на основі якого розробляються прецизійні детектори та інші напівпровідникові прилади, які працюють у полях ядерних випромінювань, є найбільш перспективним матеріалом для використання цього методу.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Vikhliy G.A., Karpenko A.Y., Litovchenko A.P., Litovchenko P.G. Introduction rate of radiation defects in highly doped indium antimonide and indium arsenide under neutron irradiation // Укр. фіз. журн. - 1998. - Т. 43, №1. - C. 74-76.

2. Litovchenko P.G., Moss R., Stecher-Rasmussen F., Appelman K., Barabash L.I., Kibkalo T.I., Lastovezky V.F., Litovchenko A.P., Pinkovska M.B. Semiconductor sensors for dosimetry of epithermal neutrons // Semiconductor Physics Quantum Electronics and Optoelectronics. - V. 2, №2. - 1999. - P. 90-91.

3. Варніна В.І., Гроза А.А., Литовченко П.Г., Старчик М.І., Шматко Г.Г., Марченко Л.С., Семенюк А.К., Литовченко А.П. Вплив радіаційних дефектів на преципітацію кисню в кремнії при термообробці // Укр. фіз. журн. - 2001. - Т. 46, № 2. - C. 205-210.

4. Litovchenko P.G., Wahl W., Groza A.A., Dolgolenko A.P., Karpenko A.Ya., Khivrych V.I., Litovchenko O.P., Lastovetsky V.F., Sugakov V.I., Dubovy V.K. Influence of preliminary irradiation on radiation hardness of silicon and indium antimonide // Semiconductor Physics Quantum Electronics and Optoelectronics. - V. 4, №2. - 2001. - P. 85-90.

5. Litovchenko P.G., Barabash L.I., Berdnichenko P.E., Berdnichenko S.V., Kutz V.I., Kibkalo T.I., Litovchenko A.P., Djurenko S.V., Rudenko A.N., Pugatch V.M., Pavlenko Yn.N. Semiconductor detectors for determination of radionuclide contamination in the substances after the Chernobyl accident // Proceeding of International Congress on Radiation Protection (IRPA9). - Vol. 3. - Vienna (Austria). - 1996. - P. 38-40.

6. Litovchenko P.G., Barabash L.I., Kibkalo T.I., Litovchenko A.P., Lastovezky V.F., Wahl W. Semiconductor detectors with converters for neutron flux measurement // Abstracts 12^th International Conference on Solid State Dosimetry. - Burgos (Spain). - 1998. - C. 73.

7. Litovchenko P.G., Barabash L.I., Kibkalo T.I., Lastovezky V.F., Litovchenko A.P., Tkach N.M., Polivtzev L.A., Wahl W. Silicon detectors with large active area for the spectrometry of nuclear particles // Abstracts 5^th International Conference on Application of semiconductor detectors in nuclear physical problems. - Riga (Latvia). - 1998. - P. 33.

8. Litovchenko P., Lemeilleur F., Litovchenko A., Dolgolenko A., Barabash L., Khivrich V., Lastovezky V., Ruzin A. The radiation hardness of high resistivity of neutron transmutation doping silicon // 4^th ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors. - CERN (Geneva). - 1998. - P. 161-172.

9. Litovchenko P. G., Lemeilleur F., Dolgolenko A.P., Barabash L.I., Kolychev N.N., Lastovezky V.F., Polivtsev L.A., Litovchenko A.P., Dose dependence of the concentration of carriers in high resistivity Si irradiated by 24 GeV protons and properties of the detectors on its base // 3^rd ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors. DESY. - Hamburg (Germany). - 1998.

10. Литовченко П.Г., Барабаш Л.І., Батюта С.П., Бондар М.М., Дубовий В.К., Кібкало Т.І., Количев М.М., Ластовецький В.Ф., Литовченко О.П., Музалевський Є.О, Полівцев Л.А. Удосконалення дрейфової кремній-літієвої технології та розробка детекторів з великою товщиною чутливої області для бета - спектрометрії // Збірн. доп. “Матеріали щорічн. наук конф. ІЯД НАНУ”. - Київ (Україна) - 1998. - C. 172 - 175.

11. Litovchenko P.G., Moss R.L., Stecher -Rasmussen F., Appelman K., Barabash L.I., Khivrich V.I., Kibkalo T.I., Lastovezky V.F., Litovchenko A.P., Wahl W. Semiconductor detectors for measurement of the neutron flux in wide energy range // Збірн. доп. “Матеріали щорічн. наук конф. ІЯД НАНУ”. - Київ (Україна) - 1998. - C. 176-179.

12. Литовченко П.Г., Барабаш Л.І., Дубовий В.К., Ластовецький В.Ф., Кібкало Т.І., Количев М.М., Полівцев Л.А., Кочкін В.І., Литовченко О.П., Батюта С.П., Варніна В.І., Фіщук О.І. Кремнієві детектори для спектрометрії гамма - випромінювання // Збірник наукових праць Інституту Ядерних Досліджень. - №1. - Київ (Україна). - 2000 - C. 86-90.

Размещено на Allbest.ru

...