Особливості радіаційного дефектоутворення при високотемпературному електронному опроміненні монокристалічного кремнію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики

УДК 621.315.592

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Особливості радіаційного дефектоутворення при високотемпературному електронному опроміненні монокристалічного кремнію

01.04.07 - фізика твердого тіла

Колосюк Андрій Григорович

Київ 2008

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Кремній є основним матеріалом сучасної твердо тільної електроніки. Прилади на його основі працюють в умовах радіації, наприклад, у космосі та в атомній енергетиці. Внаслідок взаємодії радіації з кристалом кремнію в ньому утворюються дефекти структури. Деякі з них є електрично-зарядженими, тому їх накопичення призводить до змін електрофізичних властивостей кремнію й, відповідно, до деградації параметрів приладів на його основі. Тому, потреба підвищення радіаційної стійкості приладів на основі кремнію обумовлює необхідність вивчення особливостей утворення радіаційних дефектів (РД) та їх вплив на властивості кремнію.

Одним із факторів, що визначає утворення РД, є температура кристала при опроміненні. Історично склалося, що роль температури у діапазоні від кімнатної та нижче є більш дослідженою, ніж від 100 оС та вище. Це пов'язано зі складністю проведення та інтерпретації експериментів по високотемпературному опроміненню (ВО). Адже при гарячому опроміненні іде одночасно два процеси - утворення вторинних РД (ВРД) та їх відпал. Відомо, що перший залежить від температури, але щодо механізму впливу цього фактора не існує одностайної думки. Не з'ясовано, також, питання щодо впливу радіації на відпал. Крім цього при ВО можуть утворюватися термічні дефекти, що теж значно ускладнює аналіз.

Попередні уявлення про роль температури кристала в радіаційному дефектоутворенні коротко можна звести до наступного:

· При зростанні температури зменшується ймовірність прямої анігіляції компонентів пар Френкеля, що сприяє їх комплексоутворенню з атомами домішок. Відповідно, зростає ефективність генерації ВРД. Це встановлено лише для температур від кімнатної й нижчих. Особливості процесу дефектоутворення при більш високих температурах вивчені недостатньо. Труднощі їх виявлення обумовленні накладанням конкуруючих процесів - утворення та відпалу ВРД.

· Зі зростанням температури деякі ВРД перестають бути стабільними. Щойно утворившись, вони розпадаються або трансформуються в інші комплекси, мігруючи по кристалу аж до моменту захоплення на атоми домішок. При подальшому збільшенні температури і ці утворення втрачають стабільність внаслідок тих же причин. Тобто, зі зростанням температури опромінення спектр РД, існуючих у кристалі, розширюється. Але механізми, за якими складається їх кількісний баланс при тій чи іншій температурі, вивчені недостатньо.

· Вплив ВО на властивості кремнію не завжди вдається пояснити суперпозицією процесів утворення РД та їх відпалу. Серед імовірних причин цього - мала кількість даних про вплив радіації на відпал РД.

Таким чином, існуючі модельні уявлення не дають можливості впевнено прогнозувати поведінку електрофізичних властивостей кремнію при ВО. Хоча є практична потреба в такому прогнозуванні, зумовлена наступним:

Ё По-перше, робоча температура певних ділянок кремнієвих приладів може сягати кількох сотень градусів Цельсія. Відповідно, треба знати, як будуть змінюватися параметри приладу в реальних умовах роботи під опроміненням.

Ё По-друге, розвиток радіаційних технологій керування властивостями напівпровідникових приладів формує потребу в нових, більш термостабільних РД з глибокими електронними рівнями.

Це зумовлює не тільки наукову, але й прикладну актуальність теми роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках наукових тем відділу фізики радіаційних процесів Інституту фізики: “Дослідження радіаційних і термічних ефектів у мікро-неоднорідних кристалах кремнію, арсеніду галію, нітриду галію та структурах наноелектроніки на їх основі” (№ держ. реєстр. 0103U005982) та “Дослідження радіаційних ефектів в нанокристалічних матеріалах та приладах сучасної мікроелектроніки (кремнію, нітриду галію, арсеніду галію)” (№ держ. реєстр. 0106U004182).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи було встановити механізми формування та еволюції радіаційних дефектів у кремнії при опроміненні електронами з енергією 1 МеВ у діапазоні температур 100-450 °С.

Основні наукові завдання досліджень:

1. Визначити механізми впливу температури на накопичення радіаційних дефектів.

2. Встановити механізми впливу радіації на відпал дефектів.

3. Визначити механізми впливу радіаційних дефектів, утворених при різних температурах опромінення, на рекомбінаційні властивості кремнію.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше:

1. Експериментально встановлено, що ефективність генерації вільних вакансій в n-Si при електронному опроміненні в діапазоні температур 300 - 630 К практично не змінюється.

2. Виявлено наявність взаємодії вибитого радіацією міжвузловинного атома з акустичними та оптичними фононами, в результаті якої збільшуються втрати ним енергії.

3. Експериментально доведено, що результат одночасної дії опромінення і високої температури на стан радіаційних дефектів в кремнії нееквівалентний сумі результатів послідовної дії цих факторів.

4. Встановлено, що додаткова іонізація кристала радіацією при високо-температурному опроміненні значно прискорює відпал А-центрів.

5. Експериментально встановлено, що ефект «негативного» відпалу часу життя нерівноважних носіїв заряду пов'язаний з утворенням комплексу V2O.

Практична цінність дисертації. Отримані результати є важливими і перспективними з точки зору фундаментальної та прикладної науки, бо сприяють кращому розумінню процесів генерації та еволюції радіаційних дефектів. Результати досліджень можуть бути використані в технології виготовлення напівпровідникових приладів для керування їхніми характеристиками шляхом здійснення терморадіаційних обробок, а також для прогнозування змін характеристик монокристалічного кремнію та приладів на його основі при їх експлуатації в реальних умовах радіаційної дії.

Особистий внесок здобувача. Дисертант проводив експериментальні дослідження, обробку їх результатів, а також приймав активну участь в їх теоретичному аналізі та написанні робіт. У статтях виконаних разом із співавторами, дисертант проводив теоретичні розрахунки стосовно розподілу дивакансійних дефектів по глибині зразка при електронному опроміненні, приймав участь у розробці математичної моделі впливу температури кристала на процес гальмування «гарячих» атомів, аналізі спектрів DLTS зразків кремнію. Здобувач проводив теоретичний аналіз результатів впливу одночасної та послідовної дії опромінення і високої температури на радіаційне дефектоутворення. Висновки всіх розділів, загальні висновки та положення сформульовані автором особисто.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: Українській науково-технічній конференції «Сенсорна електроніка» (26 червеня - 2 липня 2006, Одеса); III Українській науковій конференції з фізики напівпровідників УНКФН-3 (17 - 22 червня 2007, Одеса); Четвертой Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе КРЕМНИЙ_2007 (03 - 06 июля 2007, Москва).

Публікації. Основний зміст роботи є узагальненням наукового доробку автора, результати якого опубліковані в 4 статтях у фахових наукових журналах, 3 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаної літератури. Зміст роботи викладено на 112 сторінках друкованого тексту, ілюстрованого 27 рисунками та 5 таблицями. Список літератури містить 103 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі вмотивовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну роботи, її практичну й наукову цінність. Відзначено особистий внесок здобувача, відомості про апробацію, а також кількість публікацій за темою дисертації.

У першому розділі представлено огляд літературних даних по одночасному впливу різних видів дефектоутворюючої радіації та температури на електрофізичні властивості кремнію.

Показано, що варіюючи температуру кристала при опроміненні можна роздільно змінювати рекомбінаційні та електрофізичні властивості кремнію. Встановлено, що при ВО утворюється значно більший спектр дефектів, ніж при опроміненні при кімнатній температурі. При цьому кількість глибоких рівнів у забороненій зоні кремнію, що утворюються при високотемпературному опроміненні, відрізняється від кількості смуг ІЧ-поглинання. Виявлено, що з ростом температури опромінення спостерігається тенденція до збільшення частки більш стабільних дефектів. Показано, що при ВО можливий вплив температури на утворення РД. Проте існуючі уявлення про механізми комплексного впливу температури та опромінення на радіаційне дефектоутворення мають неповний, а нерідко і суперечливий характер. В літературі до цього часу не існує єдиної думки про властивості та механізми утворення більшості високотемпературних дефектів.

На цій основі сформульована постановка задачі дослідження: дослідити механізми формування, еволюції та накопичення радіаційних дефектів у кремнії при опроміненні електронами з енергією 1 МеВ в діапазоні температур 100-450 °С; визначено конкретні експериментальні завдання.

У другому розділі описано процес виготовлення зразків кристалів, умови проведення термічних (ТО) та радіаційних обробок, методи досліджень та установки, на яких вони проводились.

Робота виконана на легованих фосфором (2,51013 см-3 (КЕФ-200) та 1015 см-3 (КЕФ-4,5)) зразках промислового кремнію, вирощеного методом Чохральського. Всі термообробки проводились в повітряній атмосфері. Охолодження зразків проводилось загартуванням на азбесті. Зразки опромінювали _квантами 60Со на установці MPX--25M при 30 0С дозою Ф=4,16Ч1015 см-2 при інтенсивності J=2Ч1011 -квантів/см² і 1 МеВ електронами при 20-450 °С дозами Ф=1Ч1013 - 3Ч1016 см-2 , Jе=3Ч1011 - 5Ч1013 електрон/см² на лінійному прискорювачі електронів “Аргус”.

Вимірювання концентрацій домішок Оі та Сs здійснювалося по характерних смугах (1106 та 609 см-1, відповідно) спектрів ІЧ поглинання, одержаних на спектрометрі UR_20. Час життя нерівноважних носіїв заряду визначався по релаксації нерівноважної фотопровідності. Концентрації радіаційних дефектів, їх енергії перезарядки визначались з вимірювань ефекту Хола та методом ємнісної спектроскопії глибоких рівнів (DLTS).

У третьому розділі “Роль процесів генерації та відпалу в накопиченні радіаційних дефектів при високотемпературному опроміненні” представлено результати впливу одночасної та послідовної радіаційно-термічної обробки на концентрації вільних носіїв заряду в n_Si, дозові залежності концентрації комплексів кисень-вакансія (А-центр) при різних умовах накопичення та відпалу.

Комп'ютерна апроксимація цих залежностей за допомогою рівняння електронейтральності показала, що зміна концентрації після опромінення пов'язана з перезарядкою акцепторного рівня - Ес_0,17 еВ, тобто, рівня А_центрів. Таким чином А-центр залишається домінуючим РД при ВО 360 °С. З аналізу даних кривих визначалася концентрація А-центрів.

Для аналізу кінетики накопичення цих дефектів було розглянуто системи кінетичних рівнянь для утворення та еволюції вакансій та власне А-центрів. Експериментальні значення концентрації А-центрів, а лініями - розв'язками згаданої системи рівнянь (лv і ф - підгінні параметри):

(1);

(2);

(3);

де лv - ефективність генерації вільних вакансій, ф - стала відпалу А-центрів, t _ час. Після опромінення при КТ (крива 1) має місце лінійна залежність концентрації А-центрів від часу опромінення. На початковому етапі ВО (крива 2) теж спостерігається лінійна залежність, але надалі швидкість накопичення зменшується. Нелінійність зумовлена одночасним перебігом двох конкуруючих процесів: утворенням А-центрів та їх відпалом. Утворення відбувається з постійною швидкістю, а швидкість відпалу пропорційна концентрації дефектів:

.

На початковому етапі, коли концентрація А_центрів ще невелика, відпал відбувається «повільно» і практично не впливає на кінцеву концентрацію. Надалі, із збільшенням часу опромінення, концентрація дефектів зростає, відповідно збільшується швидкість відпалу та його від'ємний внесок у процес накопичення. Коли швидкість відпалу зрівняється із швидкістю утворення - концентрація А-центрів виходить на насичення. Як видно з (2), концентрація А-центрів у стаціонарі визначається добутком . Мала зміна концентрації, яка спостерігається в експерименті при збільшенні дози в 2 рази (до 21016 см-2), свідчить, що NVO=3,9Ч1014 см-3 є близькою до стаціонарної.

Нижня крива зображає результуючу концентрацію А-центрів після послідовного опромінення при КТ та наступного відпалу при 360 °С за умови, коли тривалість відпалу дорівнює тривалості опромінення. На відміну від ВО, існує момент часу (ф), після якого концентрація дефектів зменшується із збільшенням тривалості терморадіаційної обробки. Тобто, при послідовному опроміненні та відпалі результуюча концентрація А-центрів має максимум (положення максимуму визначається лише константою відпалу).

Таким чином, при ВО маємо накопичення радіаційних дефектів навіть при температурах інтенсивного відпалу. В цьому полягає відмінність опромінення при високій температурі від послідовної дії опромінення при КТ та відпалу при температурі ВО, де концентрація А-центрів прямує до нуля із збільшенням часу обробки.

Розраховані значення константи відпалу та ефективності генерації вільних вакансій для випадку найкращого збігу теоретичних кривих з експериментом наведено у табл. 1.

Таблиця 1

електронний опромінення монокристалічний кремній

У 2-й колонці наведено концентрацію нерівноважних носіїв, створених радіацією. Для порівняння в дужках наведено концентрацію рівноважних носіїв при 360 °С. З таблиці 1 видно, що при «гарячому» опроміненні стала відпалу зменшилась. На нашу думку, це може бути пов'язано з впливом іонізації кристала радіацією на швидкість відпалу. Для того, щоб перевірити цю гіпотезу, був проведений додатковий експеримент, рівень радіаційної іонізації у якому більш ніж у 3 рази перевищував теплову. Як бачимо, швидкість відпалу при цьому зросла у 7 разів. Отже, іонізація кристала радіацією прискорює відпал А-центрів.

В останній колонці табл.1 наведено дані про ефективність генерації вільних вакансій та, відповідно, ефективність утворення А-центрів (див. (1)) (вважається, що всі вакансії йдуть на їх утворення). Як бачимо, підвищення температури опромінення від КТ до 360 °С практично не впливає на ефективність дефектоутворення. Збільшення інтенсивності опромінення призводить до незначного її зростання. Цей результат є несподіваним. Адже згідно із традиційними уявленнями [1], ефективність генерації вакансій при 360 °С має бути в 5 разів більша. Тобто отриманий результат, принаймні, на перший погляд, принципово суперечить традиційним уявленням про роль температури у процесах первинного радіаційного дефектоутворення в напівпровідниках. Тому для кращого розуміння ролі температури в цих процесах було проведено додатковий експеримент, результати якого описано в наступному розділі.

В четвертому розділі представлено результати дослідження механізму впливу температури на процеси анігіляції та розпаду генетичних пар Френкеля.

Для розрахунку числових значень ефективності генерації вільних вакансій V за допомогою виразів (1) і (2) проводилися вимірювання дозових залежностей концентрації А-центрів.

Залежність ефективності генерації вакансій від температури зразків при опроміненні: точки - експеримент; лінія - розрахунок згідно з (3):

1 - , 2 - , 3 - .

Бачимо, що в діапазоні 100 - 300 К величина V зростає, а при подальшому підвищенні температури вона майже не змінюється. Кривою 1 показано як має змінюватися ефективність генерації вакансій, у випадку традиційної моделі [2]:

(4)

де - кількість пар Френкеля, створених 1 МеВ електроном на 1 см пробігу, rз _ радіус захоплення (мінімальна відстань, на якій можливий розпад пари Френкеля), rmax - максимально можлива відстань між вакансією (V) та вибитим міжвузловинним атомом (І), - параметр функції розподілу пар Френкеля за відстанями між компонентами. В області низьких температур вона задовільно співпадає з експериментом, а для Т 300 К - далека від експериментальних даних. В даній моделі від температури залежить лише один параметр - радіус захоплення. Для того, щоб наблизити теоретичну криву до експерименту, необхідно припустити, що зі збільшенням температури змінюється величина (з результатів [3] випливає, що величина rmax є сталою в широкому діапазоні температур від 100 К до 1200 К). Параметр функції розподілу пар Френкеля визначається процесами гальмування «гарячих» міжвузловинних атомів, утворених при опроміненні. В [4] показано, що втрата енергії «гарячим» атомом визначається його взаємодією з атомами гратки і пропорційна кінетичній енергії атома. Ефективність цього механізму гальмування не залежить від температури (=0=Const). Відомо, що зі збільшенням температури зростає кількість фононів. Тому ми припустили, що додаткове гальмування «гарячих» атомів при високій температурі можливе внаслідок взаємодії з акустичними та оптичними фононами. Ефективність цього процесу пропорційна кількості фононів, а отже залежить від температури. Тоді параметр функції розподілу можна записати як суму трьох компонент: одна з них (0) не залежить від температури, а інші дві пропорційні кількості акустичних та оптичних фононів:

, (5)

, , ,

де TD - температура Дебая, А _ частота акустичних фононів. Підставивши ці вирази в (4) отримаємо нову формулу для V. Підгінними параметрами є константи взаємодії «гарячих» атомів з акустичними (А) і оптичними (В) фононами та величини 0 і rmax. Параметр 0 можна знайти з низькотемпературної ділянки залежності V(T), коли вплив фононів незначний. Крім того, величини 0 та rmax є взаємозалежними. Для розрахунку, використовувались значення rmax та 0, знайдені в [5]. Таким чином, підгінними параметрами в (4) залишаться лише константи взаємодії «гарячих» атомів з акустичними (А) та оптичними (В) фононами.

Встановлення конкретного механізму взаємодії «гарячого» атома з фононами вимагає спеціального дослідження, яке виходить за рамки даної роботи.

У п'ятому розділі представлено результати дослідження механізму впливу радіаційних дефектів, утворених при різних температурах опромінення, на рекомбінаційні властивості кремнію.

В дослідженні було використано зразки Cz n-Si з концентрацією вільних електронів n0=1Ч1015 см-3 та часом життя нерівноважних носіїв заряду (ННЗ) ф0=100-130 мкс (КЕФ-4,5). Концентрації кисню та вуглецю становили NO=(6_7)Ч1017 см-3 і NС 5Ч1016 см-3, відповідно. Зразки мали форму прямокутного паралелепіпеда 10Ч4Ч2,5 мм.

Опромінювання проводилось 1 МеВ електронами дозою Ф =1Ч1013 см-2 , Jе=3Ч1011 електрон/см² в діапазоні температур 20-350 °С. При кожній температурі даного діапазону опромінювався окремий зразок кремнію. Час життя нерівноважних носіїв заряду () визначали по релаксації нестаціонарної фотопровідності в умовах низького рівня збудження. Тобто, визначали дірок - неосновних носіїв заряду в n-Si. Похибка у визначені не перевищувала 10 .

Для того, щоб з'ясувати роль дивакансій у ефекті «негативного» відпалу, потрібно розділити внесок первинних радіаційних дефектів вакансійного і дивакансійного типів у зміну часу життя. В нашій роботі ця задача розв'язувалась шляхом просторового розділення дефектів, яке має місце внаслідок різниці порогової енергії їх утворення. Для цього опромінення електронами здійснювалося з боку однієї найбільшої грані зразка, а вимірювання ф - з обидвох. Товщина зразка бралась так, щоб енергія електронів, які долетять до протилежної грані, стала меншою (або близькою) за порогову енергію утворення дивакансій. Тоді з оберненого боку зразка дивакансії практично не утворюються на відміну від вакансійних дефектів (їх поріг дефектоутворення у 2 рази менший).

Електрони у пучку прискорювача, мають енергію від 0,3 до 1,4 МеВ з максимумом інтенсивності - 1 МеВ. При цьому, близько двох третин електронів мають енергії 1±0,2 МеВ. Відомо, що основні енергетичні втрати таких електронів - це втрати на іонізацію [9].

Горизонтальною лінією на рисунку позначено порогову енергію для електронів в Si (Епор145 кеВ [5]). Це мінімальна енергія, яку необхідно мати електронам, щоб утворити пару Френкеля. Коли енергія електронів 2Епор, то можливе зміщення двох сусідніх атомів, внаслідок чого утворюються дивакансії. З рисунка видно, що при товщині зразка 2,5±0,2 мм утворення дивакансій в приповерхневому шарі не опроміненого боку малоймовірне, тоді як утворення пар Френкеля відбувається.

При вимірюванні ф для іонізації кристала було використано світлодіод АЛ_107 на основі GaAs з довжиною хвилі 0,96 мкм. Таке світло поглинається в приповерхневому шарі Si ~ 50 мкм. Область рекомбінації ННЗ визначається довжиною дифузії дірок:

,

де Dp - коефіцієнт дифузії дірок. Після опромінення при різних температурах час життя з опроміненого боку зменшується до ? 10-20 мкс (відповідно область рекомбінації ? 0,15-0,20 мм), а з оберненого - до ? 70 мкс (область рекомбінації ? 0,30 мм). Отже, розрахунок показав, що товщина 2,5 мм для зразків КЕФ-4,5 є близькою до оптимальної в умовах нашого експерименту.

В діапазоні 20 - 300 °С значення Д(1/ф) для не опроміненого боку майже не змінюється і приблизно на порядок менше, ніж для опроміненого. При подальшому збільшенні температури (300 - 350 °С) обернений час життя ННЗ для не опроміненого боку зменшується майже до вихідного значення внаслідок відпалу комплексів VO [6]. Це означає, що збільшення Д(1/ф) з опроміненої електронами сторони зразків у діапазоні температур 200 - 300 °С зумовлено відпалом V2. Проведений аналіз показав, що при цих температурах дивакансія є рухливою і захоплюється атомом домішки кисню. Відбувається реакція V2+О > V2О , що і є причиною зростання оберненого часу життя. Встановлено, що поперечний переріз захоплення дірок комплексом V2O становить величину p = 310-13 см². Отримане нами значення p стосується комплексів V2О-. Воно є майже таким самим як для комплексів VО [10] і значно більше за p = 310-15 см² для V2 - [11]. Комплекси V2О заповнені електронами при кімнатній температурі на декілька порядків більше, ніж VО завдяки глибшому розташуванню рівня у забороненій зоні кремнію. Саме завдяки цьому, комплекс V2О визначає рекомбінацію ННЗ в n-Si.

У заключній частині наведено перелік головних результатів досліджень та загальні висновки.

Висновки

У роботі експериментально встановлено та теоретично описано температурну залежність кінетики утворення та накопичення радіаційних дефектів при електронному опроміненні. Експериментально вивчено характер еволюції рекомбінаційних властивостей РД при їх трансформації з первинних у третинні.

1. Експериментально встановлено характер температурної залежності ефективності генерації вільних вакансій (V) в інтервалі температур від 125 до 630 К при електронному опроміненні n_Si. Виявлено, що величина V зростає до 300 К, а при подальшому підвищенні температури має тенденцію до насичення.

2. Показано, що збільшення температури призводить до зменшення ефективності генерації первинних радіаційних дефектів внаслідок додаткового гальмування вибитих «гарячих» атомів акустичними та оптичними фононами.

3. Експериментально виявлено можливість накопичення вторинних РД при температурах, вищих за температуру повного відпалу. Встановлено, що кінетика накопичення вторинних РД при високотемпературному опроміненні визначається ефективністю відпалу, в той час як ефективність утворення є незмінною.

4. Показано, що радіація здатна прискорювати відпал комплексів кисень-вакансія внаслідок іонізації кристала.

5. Експериментально встановлено, що причиною «негативного» відпалу часу життя нерівноважних носіїв заряду є утворення комплексу V2O. Він визначає рекомбінаційні властивості кремнію завдяки більшій заселеності електронами, ніж VO.

Основні результати дисертації викладено в публікаціях

1. Неймаш В.Б. Дослідження ємнісними методами n-кремнію, опроміненого електронами при 450 оС / Неймаш В.Б., Красько М.М., Крайчинський А.М., Колосюк А.Г., Войтович В.В., Сімоен Е., Дж.-М. Рафі, Клайз К., Верслюз Дж., Клоз П. // УФЖ. - 2004. - Т. 49, №8 - C. 781 - 786.

2. Красько М.М. Про природу “негативного” відпалу часу життя нерівноважних носіїв заряду в опроміненому n-Si / Красько М.М., Крайчинський А.М., Неймаш В.Б., Колосюк А.Г., Шпінар Л.І. // УФЖ. - 2007. - Т. 52, №2 - C. 165 - 169.

3. Колосюк А.Г. Вплив температури на дефектоутворення в n-Si при електронному опроміненні / Колосюк А.Г., Крайчинський А.М., Красько М.М., Неймаш В.Б., Войтович В.В. , Поварчук В.Ю., Кабалдін О.М. // УФЖ. - 2007. - Т. 52, №7 - C. 685 - 689.

4. Колосюк А.Г. Температурна залежність ефективності генерації вакансій в n-Si при опроміненні електронами з енергією 1 МеВ / Колосюк А.Г., Крайчинський А.М., Красько М.М., Неймаш В.Б., Рогуцький І.С. // Укр. фіз. журн. - 2007. - Т. 52, №9 - C. 869 - 872.

Анотація

Колосюк А.Г. Особливості радіаційного дефектоутворення при високотемпературному електронному опроміненні монокристалічного кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2008.

Досліджено залежність кінетики утворення радіаційних дефектів (РД) в n_Si при опроміненні 1 МеВ електронами в діапазоні 100-633 К в від температури зразків. Експериментально показано можливість накопичення вторинних РД при температурах вищих температури повного відпалу. Показано, що радіація здатна прискорювати відпал VO комплексів внаслідок іонізації кристала. Експериментально встановлено та проаналізовано характер температурної залежності ефективності генерації вільних вакансій в інтервалі температур від 125 до 630 К при електронному опроміненні n-Si. Він пояснений за допомогою додаткового гальмування вибитих «гарячих» атомів внаслідок взаємодії з акустичними та оптичними фононами. Експериментально встановлено, що причиною «негативного» відпалу часу життя нерівноважних носіїв заряду є утворення комплексу V2O.

Ключові слова: кремній, електронне опромінення, високотемпературне опромінення, гаряче опромінення, радіаційні дефекти, вакансія, переріз захоплення.

Abstract

Kolosyuk A.G. Peculiarities of Radiation Defect Formation in Silicon Single Crystals under Electron Irradiation at High-Temperature. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Philosophy degree (Candidate of science in Physics and Mathematics) by specialty 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

The temperature dependence (in range 100-633 K) of the kinetics of radiation defects (RD) creation in n-Si crystals under 1-MeV electron irradiation has been studied. Possibility of secondary RD accumulation at temperatures above the temperature of their full annealing is shown experimentally. Radiation stimulated annealing of vacancy-oxygen complexes due to crystal ionization is shown. The temperature dependence (in range 125-630 K) of the efficiency of free vacancies generation has been experimentally obtained and analyzed in n-Si under electron irradiation. The interaction of "hot" atoms and phonons is proposed to be a mechanism of the temperature influence on the efficiency of free vacancies generation. It is shown experimentally, that the formation of V2O complexes is responsible for the effect of “negative” annealing of nonequilibrium charge carriers lifetime.

Key words: silicon, electron irradiation, high-temperature irradiation, hot irradiation, radiation defects, vacancy defect, capture cross-section.

Аннотация

Колосюк А.Г. Особенности радиационного дефектообразования при высокотемпературном электронном облучении монокристаллического кремния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики Национальной Академии Наук Украины, Киев, 2008.

Исследована кинетика образования радиационных дефектов (РД) в n-Si в зависимости от температуры образцов при облучении 1 МэВ электронами в широком диапазоне температур 100-633 К.

Выявлено, что эффективность генерации радиационных комплексов кислород-вакансия (VO) не зависит от температуры кристалла при облучении для температур выше комнатной (20-360 °С). Экспериментально показана возможность накопления вторичных РД при температурах выше температуры их полного отжига. Установлено, что кинетика накопления вторичных РД при высокотемпературном облучении определяется эффективностью их отжига. Показано, что радиация способна ускорять отжиг комплексов VO за счет ионизации кристалла. Обнаружено, что акцепторный центр с энергией ионизации ЕС - 0.19 эВ не образуется во время высокотемпературного облучения при 360 °С в отличие от облучения при 450 °С, что говорит в пользу VO3-версии этого центра.

Экспериментально установлена и проанализирована температурная зависимость эффективности генерации свободных вакансий (V) в интервале температур от 125 до 630 К при электронном облучении n_Si. Установлено, что величина V возрастает до 300 К, а при дальнейшем повышении температуры имеет тенденцию к насыщению. Предложен механизм влияния температуры на эффективность генерации свободных вакансий за счет дополнительного торможения выбитых «горячих» атомов акустическими и оптическими фононами. На основе предложенной модели объяснен характер температурной зависимости эффективности генерации свободных вакансий в интервале температур от 125 до 630 К при электронном облучении n-Si.

Экспериментально установлено, что причиной «отрицательного» отжига времени жизни неравновесных носителей заряда есть трансформация дивакансий из состояния первичного радиационного дефекта в третичный по схеме: V2 > V2O > VO + V > 2VO2. Установлено, что при комнатной температуре наиболее эффективным центром рекомбинации неравновесных носителей заряда в n-Si есть комплекс V2O. Рассчитано сечение захвата им дырок - p = 310-13 (на 2 порядка больше, чем у V2). Этот комплекс является более рекомбинационно активным дефектом, чем VO-центр, благодаря большей заселенности электронами.

Ключевые слова: кремний, электронное облучение, высокотемпературное облучение, горячее облучение, радиационные дефекты, вакансия, сечение захвата.

Размещено на Allbest.ru