Особенности образования и отжига радиационных дефектов в n-GaN(Si) и p-GaN(Mg) при воздействии различного вида излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ЕРМАКОВ Виктор Сергеевич

ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И ОТЖИГА РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В п-СаЫ^О и р-СаЫ(Мд) ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНОГО

ВИДА ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.07- Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005554648 6 НОЯ 2014

Москва-2014

005554648

Работа выполнена в Филиале Открытого акционерного общества «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова» Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом»

Научные руководители: доктор физико-математических наук

[Колин Николай Георгиевич!

кандидат физико-математических наук Бойко Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: Бублик Владимир Тимофеевич

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры МППиД НИТУ «МИСиС»

Малыикии Вадим Григорьевич

кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры МВ ИАТЭ НИЯУ «МИФИ»

Ведущая организация: ОАО «Государственный научно-

исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»»

Защита состоится «'8» декабря 2014 г. на заседании диссертационного совета Д 217.024.01 при ОАО «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова» по адресу: 105064, г. Москва, пер. Обуха, д.З. _

'I "

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова» и на сайте www.nifhi.ru.

Автореферат разослан « ¿9 » ОСтЛОр^ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, /

к.ф.-м.н. г ' — С.Г. Лакеев

С- " V/ V '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Полупроводниковые структуры на основе нитридов III группы (GaN, AIN и InN) в настоящее время масштабно используются в полупроводниковой микроэлектронике и, прежде всего, в оптоэлсктронике, в связи с благоприятным сочетанием физико-химических свойств и возможностью их варьирования в широких диапазонах. Нитрид галлия (GaN) и твердые растворы на его основе повсеместно используются в светоизлучающих и фотоприемных устройствах широкого спектрального диапазона, детекторах и силовых высокочастотных высокотемпературных электронных приборах: светодиоды и лазеры, испускающие УФ, видимый и белый свет; фото лете ктор ы, нечувствительные к видимому свету, и фотодетекторные матрицы и линейки; высокомощные выпрямители и полевые транзисторы. На сегодняшний день приборы на основе GaN по удельной плотности и мощности превосходят более чем в 10 раз приборы, изготовленные на основе кремния (Si), арсенида галлия (GaAs).

Большая ширина запрещенной зоны и соответственно высокая пороговая энергия образования дефектов позволяют использовать приборы на основе GaN в экстремальных условиях эксплуатации (высокий уровень радиации и температуры). Безотказность работы полупроводниковых приборов в условиях жесткого излучения определяется как параметрами самого материала, так и механизмами протекания в нем радиационно-физических процессов. Результаты данных исследований необходимы для прогнозирования характера изменения свойств материалов и приборов под действием ионизирующих излучений, а также для целенаправленного модифицирования их свойств в процессе получения. В силу повышения требований к стабильности устройств в условиях внешних воздействий и необходимости развития методов локального управления свойствами полупроводников, резко возрос интерес к методам ядерного легирования (ЯЛ) и радиационного модифицирования (РМ).

В России практическая реализация данных методов впервые была

осуществлена на базе ядерного реактора ВВР-ц филиала «НИФХИ им. Л.Я.

Карпова» в 80- годах, вначале для кремния, а затем для соединений AnlBv. В

настоящее время объем выпускаемых ядерно-легированных и радиационно-

модифицированных полупроводников на базе реактора ВВР-ц достигает несколько

тонн в год. Современный метод ядерного легирования полупроводниковых

материалов позволяет получить монокристаллы с неоднородностью свойств по

объему менее 5%. К числу наиболее важных преимуществ ЯЛ и РМ

3

полупроводников следует отнести: высокую однородность распределения легирующих примесей по объему кристалла и, соответственно, свойств; высокую термостабилыюсть и стойкость параметров к внешним воздействиям; более широкий диапазон концентраций вводимой примеси по сравнению с металлургическими методами легирования. Следует также подчеркнуть высокую технологичность и управляемость процесса.

Развитие данной технологии для ОаЫ требует решения ряда специфических задач, связанных с устранением комплекса радиационных дефектов (РД), возникающих в материале при облучении, их трансформации при последующих термообработках, выяснением характера их влияния на свойства материала, а также ряда технологических задач, таких как обеспечение однородности нейтронного потока в материале и эффективного охлаждения образцов в процессе облучения.

Актуальность работы определяется, прежде всего, отсутствием законченных представлений о механизмах образования и отжига радиационных дефектов в нитриде галлия, характере взаимодействия радиационных дефектов между собой, с исходными структурными дефектами и вводимой легирующей примесью, как в процессе облучения, так и при последующей термообработке, характере влияния условий облучения и параметров исходного материала на конечные свойства ядерно-легированного ОаЫ. Выяснение и развитие этих представлений важны для понимания процессов образования и отжига радиационных дефектов, а также послужат основой для разработки перспективных технологий ядерного легирования и радиационного модифицирования, которые позволят получать высококачественные однородно-легированные эпитаксиальные структуры на основе СаЫ.

Цель настоящей работы заключалась в выявлении особенностей радиационно-физичсских процессов, протекающих в эпитаксиальных слоях ОаК пи р-типа проводимости после облучения, как полным спектром, так и преимущественно быстрыми нейтронами ядерного реактора и выеокоэнергетичными электронами, и последующей термообработки, определение необходимых условий облучения, последующих дезактивации и термообработки, являющихся физическими основами для разработки технологии ядерного легирования и радиационного модифицирования нитрида галлия.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- Провести расчетную оценку количества смешенных атомов в ОаЫ и твердых растворах на его основе (АЮаЫ и 1гЮаМ) при облучении в исследовательском ядерном реакторе ВВР-ц с учетом вклада различных составляющих реакторного излучения (нейтроны, гамма-кванты, атомы отдачи);

- получить расчетные формулы для определения суммарной концентрации вводимых донорпых примесей и оценить эффективность их введения в Оа>1, АЮаМ, InGaN в зависимости от флюенса тепловых нейтронов;

- Исследовать влияние облучения различным спектром реакторных нейтронов и последующих термообработок на электрофизические свойства эпитаксиальных слоев п- и р-ОаЫ с различной исходной концентрацией носителей заряда;

- Исследовать влияние различного вида ионизирующего излучения (реакторные нейтроны, электроны) и последующей термообработки на емкостные свойства эпитаксиальных слоев п- и р-ваК с различной исходной концентрацией примеси;

- Исследовать влияние облучения различным спектром реакторных нейтронов на структурные свойства л-ОаЫ с различной степенью исходного легирования;

- Провести анализ микроструктуры и состава поверхности эпитаксиальных слоев п-ОаЫ с различной степенью исходного легирования до и после облучения реакторными нейтронами и высокоэнергетичными электронами;

- Выяснить механизмы образования и отжига радиационных дефектов в и- и р-ОаЫ;

- Выяснить влияние легирующей примеси в исходном состоянии на характер образования и отжига радиационных дефектов в облученных образцах п- и /ьОаЫ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Определены тип и эффективность введения легирующих донорных примесей в Оа1Ч, АЮаК и ГпОаЫ, образующихся в результате ядерного легирования;

- Проведена количественная оценка образования первичных радиационных дефектов в Оа1Ч, АЮаЫ и 1пСаК в зависимости от вклада различных составляющих реакторного излучения;

- Впервые комплексно изучены электрофизические свойства нитрида галлия /I- и р-типа проводимости облученного большими флюснсами (до 1,8-10м см"') полного спектра и преимущественно быстрых реакторных нейтронов;

- Обнаружено «аномальное» уменьшение удельного электрического сопротивления при флюснсах больше 1018см"2 для п- и />-ОаМ;

- На основании исследования электрофизических характеристик выявлены стадии отжига РД в облученном реакторными нейтронами р-ОаЫ как донорных (100-300), (500+700) и (750+850) °С, так и акцепторных (300+500) и (650+800) °С дефектов;

- Экспериментально определена роль влияния легирующей примеси в исходном состоянии на процесс образования и последующего отжига радиационных дефектов в п- и р-СаК.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

- Экспериментально определены необходимые условия облучения (плотность потока реакторных нейтронов, соотношение плотностей потоков тепловых и быстрых нейтронов, среда, температура), режимы последующей термообработки (температура, среда, скорости нагрева и охлаждения) и сформулированы требования к исходному материалу (конценграция носителей заряда, тип структуры) для разработки технологий ядерного легирования и радиационного модифицирования ОаМ;

- Полученные в работе экспериментальные результаты имеют практическое значение для прогнозирования свойств материалов и приборов при эксплуатации в условиях повышенной радиации и температуры и могут быть использованы как физические основы для дальнейшей разработки перспективных технологий ЯЛ и РМ нитрида галлия и твердых растворов на его основе на базе действующих исследовательских и промышленных ядерных реакторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности изменения электрофизических характеристик облученных в реакторе ВВР-ц эпитаксиальных слоев о-ОаЫ с различным уровнем исходного легирования в широком диапазоне флюенсов полного спектра (до 1,8-1020 см"2, ф-,/фл = 1) и быстрых реакторных нейтронов (до 8-1018 см"2) до и после термообработки;

- закономерности изменения электрофизических характеристик облученных в реакторе ВВР-ц эпитаксиальных слоев р-ваК с различным уровнем исходного легирования в широком диапазоне флюенсов полного спектра (фтЛ(>£ = 1) и быстрых реакторных нейтронов (до 81018 см"2) до и после термообработки;

- «аномальное» уменьшение удельного электрического сопротивления при флюенсах больше 1018 см"2 для п- и р-ОаК, вызванное появлением в материале прыжковой проводимости носителей заряда по дефектным состояниям;

- увеличение периода решетки ОаЫ вдоль направления 0001 вследствие облучения полным спектром и быстрыми реакторными нейтронами;

- определенные значения энергий глубоких ловушек в и- и р-СаЫ, облученных реакторными нейтронами и высокоэнергетичными электронами;

- стадии отжига радиационных дефектов в облученных реакторными нейтронами >г-СаЫ: (100^300) °С, (300-700) "С, (700+1000) °С и р-СаЫ: донорные (100-300), (500-700), (750-850) "С, и акцепторные (300-500), (650-800) °С.

Личный вклад автора в получении научных результатов

Большая часть экспериментальной работы проведена автором лично (все этапы подготовки экспериментальных образцов к облучению реакторными нейтронами и высокоэнергетичными электронами, пострадиационная обработка облученных образцов, проведение высокотемпературного отжига, подготовка и измерение электрофизических, структурных параметров). Вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в непосредственном участии на всех этапах работы от постановки задачи до обсуждения результатов. Автору принадлежит анализ существующих литературных данных, реализация основных экспериментальных подходов, интерпретации, обобщения и анализ полученных результатов, формулировки основных положений.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, доложены на следующих научных конференциях и семинарах: Радиационные технологии модифицирования свойств эпитаксиальных слоев на основе нитрида галлия. Конференция молодых атомщиков по научным и другим аспектам - «Команда 2012», Санкт-Петербург, Росатом, июнь 2012 г.; 10-й Международный уральский семинар «Радиационная физика металлов и сплавов», Кыштым, Челябинская обл., ИФМ РАН 25 февраля - 3 марта 2013 г.; Всероссийская конференция молодых учёных и специалистов, аспирантов, студентов и учащихся Лтомградов России «Научный потенциал молодёжи в развитии атомной промышленности России»,

7

ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», г. Москва - Бекасово, апрель 2013 г.; Отраслевой семинар «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники», г. Обнинск, ФЭИ, апрель 2013 г; Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем», июнь 2013 г., г. Лыткарино, НИИПП; Международный семинар МНТ-ХИ "Структурные основы модифицирования материалов", 17-20 июня 2013 г., г. Обнинск, ИАТЭ НИЯУ «МИФИ»; XI Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники - 2013», сентябрь 2013 г., г. Санкт-Петербург, ФТИ им. Д. Ф. Иоффе.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей в реферируемых российских и зарубежных научных журналах, утвержденных ВАК РФ, тезисы - 9 докладов на российских и международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемой литературы. Работа содержит 96 рисунков и 21 таблицу. Список используемой литературы включает 132 наименования. Общий объем диссертации ] 83 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследований, ее научная новизна и практическая ценность.

В главе 1 проанализированы имеющиеся литературные данные по радиационно-физическнм процессам, происходящим в нитриде галлия при облучении различным видом ионизирующего излучения, а также по радиационным дефектам в облученных п- и />GaN. Однако, несмотря на наличие довольно большого числа работ по облучению GaN, механизмы образования РД в нитриде галлия не изучены в достаточной степени, что и послужило основой для постановки данной работы.

В главе 2 описаны методики исследования электрофизических свойств эпитаксиальных слоев нитрида галлия. Электрофизические параметры низкоомных полупроводниковых материалов (р, ц, п) измерялись четырехконтактным методом Ван-дер-Пау на автоматизированной установке «HMS-ЗООО», а электросопротивление высокоомных образцов на электрометре В7-30. Описана методика измерения структурных свойств моноэпитаксиальных слоев нитрида галлия на многоцелевом рентгеновском дифрактометре D8 Discover фирмы "Bruker-AXS". Описана методика измерения емкостных спектров глубоких уровней эпитаксиальных образцов нитрида галлия. Спектры глубоких уровней в образцах до и после облучения исследовались с помощью адмиттанс-спектроскопии, емкостной и токовой РСГУ, а также ОРСГУ (метод, использующий оптическую инжекцию). Положение уровня Ферми в образцах определялось из температурной зависимости проводимости.

В главе 3 приведены результаты расчетов числа смещенных атомов, образующихся по подрешеткам в GaN и твердых растворах на его основе (AlGaN, InGaN) при облучении в исследовательском реакторе ВВР-ц. Учитывался вклад быстрых и тепловых нейтронов, гамма-излучения и атомов отдачи. Число смещенных атомов, образующихся при действии гамма-излучения реактора, рассчитывалось по теории Кейна [I]. Все неравновесные ионизационные процессы, происходящие в материалах при облучении, не рассматривались. Вклад тепловых нейтронов в дефектообразование заключается в образовании атомов отдачи в первичных (п.у)-рсакциях и при Р" и у-распаде радиоактивных изотопов. Реакции типа (п,л'), (п,2п), (п,р), (п,а) и т.п. в расчете не учитывались, так как они являются пороговыми и в элементах исследуемых материалов имеют место начиная с 14 МэВ.

Доля таких нейтронов в спектре реактора ВВР-п ничтожно мала.

Определены расчетные формулы для определения суммарной концентрации вводимых донорных примесей и оценена эффективность их введения в результате ядерного легирования, с учетом вклада всех образующихся изотопов, в зависимости от флюснса тепловых нейтронов: для GaN: М(,с - 0,126 ФЬ для ЛЮаЫ: -

0,122-Фт и для InGaN: К5„.с,с = 6,75 Фт. Из полученных расчетов видно, что наиболее эффективно процесс ядерного легирования атомами олова будет происходить в 1пОаМ, в результате большого сечения поглощения тепловых нейтронов атомами 1п.

Показано, что основной вклад в дефсктообразование вносят быстрые нейтроны - порядка 85+95% в зависимости от условий облучения (каналы активной зоны или периферийные каналы). Сделан расчет полного числа смещенных атомов с учетом всех указанных составляющих в исследуемых материалах при облучении в различных каналах реактора ВВР-ц. Суммарное количество смещенных атомов, возникающих в зависимости от полученного флюенса быстрых нейтронов при облучении в различных каналах реактора, равно: для ва - >1,] =в З16-Фь (в канале активной зоны и в персфсрийном канале); для 1п - = 379-ФВ (в канале активной зоны), 384 ФБ(в переферийном канале); для А1 - N<1= 169 ФБ (в канале активной зоны), N,1= 174 ФГ, (в периферийном канале).

В главе 4 приведены экспериментальные результаты исследования электрофизических параметров п- и с различной исходной концентрацией

носителей заряда в зависимости от флюенса полного спектра (Фт) и преимущественно быстрых реакторных нейтронов (Фв), а также последующих термообработок.

Показано, что при облучении п-ОаЫ как полным спектром, так и быстрыми реакторными нейтронами с ростом флюенса удельное электрическое сопротивление возрастает (рис. 1). На кривых зависимости /з(Ф) (рис. 1(а,Ь)) наблюдаются две области: область «малых доз» - на начальных этапах облучения с ростом флюенса нейтронов до значений порядка 10" см"2 удельное сопротивление /1-СаЫ растет за счет образования в материале радиационных дефектов преимущественно акцепторного типа; область «больших доз» — при дальнейшем увеличении флюенса удельное сопротивление, проходя через максимум, уменьшается до значений порядка 1060м-см.

Флюенс тепловых нейтронов (см'] Флюенс быстрых нейтронов [см ]

Рисунок 1 - Зависимость удельного электрического сопротивления эпитаксиального и-ОаЫ от флюенса полного спектра (а) и быстрых реакторных нейтронов (Ь) для образцов с различной исходной концентрацией носителей заряда п, Соотношение плотностей потоков тепловых и быстрых нейтронов в зоне облучения </>г!(ри ~ 1. На оси ординат приведены значения р для исходных образцов, п, [см"3]: /- 1015, 2 - 21017, .1 — 2-Ю18.

В области «малых доз» более резкое увеличение сопротивления наблюдается у образцов, облученных полным спектром реакторных нейтронов. Это объясняется тем, что при облучении полным спектром реакторных нейтронов, за счет реакций на тепловых нейтронах, в материале образуются атомы германия, которые встраиваются в подрешетку галлия. Помимо этого, создаются дополнительные дефекты (как простые, так и сложные «глубокие центры» типа по аналогии с

образованием, так называемых Е-центров (атом Р-У^) в облученном кремнии [2]), делая процесс дефектообразования при облучении тепловыми нейгронами более сложным. Облучение эпитаксиальных слоев нитрида галлия различным спектром реакторных нейтронов было проведено с целью определения роли вводимой примеси Ое в образовании и отжиге РД в облученном нитриде галлия, что особенно актуально для разработки технологии ядерного легирования и радиационного модифицирования материала.

Более низкие значения удельного сопротивления для легированных 81 образцов сохраняются вплоть до флюенсов - Ю18 см"2, то есть вклад исходной концентрации легирующей примеси еще заметен. При больших флюенсах нейтронов (8-10,к см"2) параметры облученных материалов становятся одинаковыми и определяются высокой концентрацией вводимых радиационных дефектов. Уменьшение удельного сопротивления материала в этой области обусловлено доминированием прыжковой проводимости носителей заряда по состояниям

11

радиационных дефектов, уровни которых расположены вблизи уровня Это явление достаточно хорошо исследовано для «переоблученных» полупроводников с широкой запрещенной зоной, в которых уровень Ферми в результате облучения закрепляется глубоко в запрещенной зоне кристалла, например для ОаАБ.

Из анализа представленных на рисунке 2а зависимостей выделены три основные стадии отжига радиационных дефектов при температурах ЮП-^ЗОО, 30(Н700 и 700-Н000 °С. Отжиг в интервале температур ЮСКЗОО °С (первая стадия) приводит к уменьшению удельного сопротивления образцов, что вызвано частичной аннигиляцией точечных дефектов преимущественно акцепторного типа путем мшрации к стокам и рекомбинации межузельных атомов и вакансий. Дальнейшее увеличение температуры отжига от 300 до 700 °С (вторая стадия) приводит к увеличению удельного сопротивления материала, что вызвано перестройкой РД в процессе термообработки и образованием более сложных термостабильных дефектов типа скоплений, отжигающихся при более высоких температурах.

10 110" |ю6

дз -

СЕ

|Ю'

с

я

ш 10

|ю° 10"

ГТ^Г Г—-'

/Л,

V

200 400 600 800 Температура отжига, С

1000

<100 600 800 Температура отжига С

Рисунок 2 — Зависимость удельного электрического сопротивления эпитаксиального н-СаЫ от температуры отжига для образцов с различной исходной концентрацией носителей заряда п. облученных полным спектром (а) и быстрыми реакторными нейтронами (Ь). На оси ординат приведены значения р для исходных образцов, п. [см"1]: I. 1а, !Ь, 1с — Ю'ч 2 —

0Т-1О" , [см"-]: 1,2-0,15; 1а-7.3; 1Ь— 15; 1с-80: Фв-1(Г|8,[см'2]: 2-0,08:3-0,4.

Характер изменения электрофизических свойств свидетельствует о существовании третьей стадии отжига 700^1000 °С, которая продолжается и при более высоких температурах. Она характеризуется развалом разупорядоченных областей (РО), а также сложных дефектов, образовавшихся при более низких

12

температурах, с последующей быстрой аннигиляцией точечных дефектов и протеканием вторичных процессов, скорее всего с участием, помимо радиационных дефектов, также примесных атомов и ростовых точечных дефектов решетки.

Показано, что наличие примеси кремния (2 1017 см"3) в исходном материале (рис. 2а, кривая 2) приводит к более плавному изменению удельного электрического сопротивления при отжиге, чем в нелегированных в исходном состоянии образцах (рис. 2а, кривая 1), что свидетельствует о влиянии примеси на процесс трансформации дефектов в интервале температур до 700 °С. Более низкие значения р при температурах отжига выше 700 °С объясняются высокой концентрацией примеси в материале. Анализ представленных на рисунке 2Ь зависимостей позволяет выделить стадию отжига РД в интервале температур 700^900 °С (кривая 2). Отжиг в данном интервале приводит к увеличению удельного сопротивления материала, что вызвано перестройкой радиационных дефектов и образованием более сложных термостабильных дефектов типа скоплений за счет наличия примеси в материале. Увеличение уровня легирования (2-101Я см"3) в исходном материале (рис. 2Ь, кривая 3) приводит к более плавному изменению электросопротивления при отжиге, что также свидетельствует о влиянии примеси на процесс трансформации дефектов. Полного восстановления электрофизических свойств облученного быстрыми нейтронами материала не удается достичь даже при температурах отжига 1000 °С, что указывает на остаточные концентрации радиационных дефектов. Кроме того, на полноту отжига РД в эпитаксиальных слоях ОаЫ отрицательно влияют три фактора: радиационные дефекты, образующиеся в результате облучения быстрыми нейтронами; атомы германия, вводимые в ОаЫ в результате ядерных реакций, протекающих под действием тепловых нейтронов; атомы примеси в исходном материале. При облучении нейтронами р-ваК наблюдается аналогичная картина: происходит увеличение удельного сопротивления р (более 1010 Ом-см) при флюенсах тепловых и быстрых нейтронов выше 4 1017 см'2 (рис. 3(а,Ь)). Эти изменения вызваны смещением уровня Ферми из исходного положения, задаваемого уровнем легирования материала примесью магния, в предельное положение РИт близкое к энергии Ес-0.85 эВ в облученном нитриде галлия [4]. Таким образом, при нейтронном облучении следует ожидать р-п конверсии типа проводимости исходного р-ОаК, как это имеет место и при других видах радиационного воздействия.

т

/ ¡1

/ li

> а i i i i /

//

Фгюенс тепловых нейтронов < см

Флювнс быстрых нейтронов ( СМ ?1

Рисунок 3 — Зависимость удельного электрического сопротивления эпитаксиального р-GaN от флюенса полного спектра (а) и быстрых реакторных нейтронов (Ь) лля образцов с различной исходной концентрацией носителей заряда р. Соотношение плотностей потоков тепловых и быстрых нейтронов в зоне облучения ipr/<Pn - 1. На оси ординат приведены значения р для исходных образцов, р, [см'3]: / - И)17, 2 - I018, J - 1-2-1014.

Как было показано нами ранее [3], облучение нейтронами /¡-GaN, для которого уже выполняется условие F = Fljltl, приводит к «аномальному» уменьшению р при больших флюенсах нейтронов. Такое изменение электронных свойств p-GaN [три нейтронном облучении вызвано захватом свободных носителей заряда глубокими докорными и акцепторными состояниями радиационных дефектов, спектр которых исследовался в ряде работ [4-7]. Можно отмстить, что независимо от уровня легирования исходного как «-GaN, так и /;-GaN значения р(Ф) в сильнооблученных нейтронами образцах практически одинаковы. Эта область флюенсов нейтронов соответствует прыжковой проводимости носителей заряда по энергетическим состояниям радиационных дефектов, уровни которых расположены вблизи уровня Ферми /^¡п,.

Отмечено более высокое значение проводимости нитрила галлия в области «больших доз» полного спектра нейтронов, 8 1018 см"2 (рис. З(а.Ь)). Это объясняется вкладом тепловых нейтронов в процесс дефсктообразования в GaN. Аналогичные выводы сделаны при исследовании спектров обратного резерфордовского рассеяния в образцах GaN, облученных полным спектром и преимущественно быстрыми реакторными нейтронами [8].

Изохронный отжиг />-ОаМ, облученного в области «малых доз» (до 410 см" ) полного спектра реакторных нейтронов выявляет стадии отжига РД при температурах около (100+300) °С, (500-700) °С и (750+850) °С и две стадии «обратного» отжига при температурах около (300+500) °С и около (650+800) °С, которые можно связать с отжигом дефектов донорного и акцепторного типа (рис. 4а). Аналогичные стадии отжига присутствуют и в образцах, облученных преимущественно быстрыми реакторными нейтронами (рис. 4Ь). Следовательно «нормальный» отжиг имеет место для донорных дефектов Т^/, энергетические уровни которых расположены выше уровня Ферми и которые ответственны за компенсацию проводимости в р-ОаЫ.

В' *

а101 $ i NN

S10J( s '

I 1

fio'-j \

10'i-

2a

I'

vm

и к <

vV

W\

10'

'Л. ./ ; : 1 \ • ■ ь1

,' '■;•./ 1 2а Г, у j

2 !' •1 / \ \\\ . 2а |

А * / \\ ! \\/ |

\Ч \ ' Ч

0 100 200 300 400 600 600 700 800 900 1000

Температура отжига. С

0 100 200 300 400 500 600 700 800 800 1000 Температура ртжига, "С

Рисунок.4 - Зависимость удельного электрического сопротивления эпитаксиального р-ва!^! от температуры отжига для образцов с различной исходной концентрацией носителей заряда р, облученных полным спектром (а) и быстрыми реакторными нейтронами (Ь). На оси ординат приведены значения р для исходных образцов, р, [см-3]: 1, 1а - Ю17; 2, 2а- 10 ; 3- 1-2-1019;

Ф,- Ю-18, [см"2]: 1.2,3-0,4; 1а, 2а-8; Фв-10"1*, [см"2]: 1,2,3-0,4; 1а. 2а-8

В свою очередь «обратный» отжиг выявляет акцепторные дефекты энергетические уровни которых расположены ниже уровня Ферми в облученном р-СаМ. Некоторые стадии «обратного» отжига могут быть связаны с кластеризацией точечных дефектов, хотя данный процесс менее вероятен, поскольку требует участия многих точечных дефектов. Отжиг образцов нитрида галлия, облученных «большими дозами» полного спектра и быстрых реакторных нейтронов, до 81018 см"2, выявляет широкую стадию «обратного» отжига при температурах выше 200 °С (рис. 4(а,Ь)). В таких образцах уровень Ферми жестко закреплен вблизи Рит

вследствие высокой плотности дефектов, так что «обратная» стадия отжига связана с уменьшением вклада прыжковой проводимости в общий зарядопсрснос вследствие уменьшения плотности радиационных дефектов.

Таким образом, кривая р(Готж) повторяет кривую р(Ф), но в «обратном» порядке. В области более высоких температур отмечен «нормальный» отжиг радиационных дефектов, обусловленный смещением уровня Ферми к своему начальному положению вследствие преимущественного отжига дефектов донорного типа. Полного восстановления электрофизических свойств облученного нейтронами как /?-Оа1М, так и н-ОаЫ не удается достичь даже при температурах отжига 950 °С, что указывает на остаточные концентрации радиационных дефектов.

В главе 5 приведены экспериментальные результаты исследования рентгенодифракционных характеристик и морфологических особенностей эпитаксиального я-ОаЫ с различным уровнем исходного легирования до и после облучения различным спектром реакторных нейтронов и высокоэнергетичными электронами.

Показано, что облучение как полным спектром, так и быстрыми реакторными нейтронами не влияет на ширину кривых качания. Облучение n-GaN (п=210" см"3") флюенсом реакторных нейтронов 81018 см"2 не изменяет интенсивности ДРРЛ. В случае нелегированных образцов GaN (п = 1015 см"3) облучение как тепловыми, так и быстрыми нейтронами уменьшает интенсивность ДРРЛ от точечных дефектов вакансионного типа т.е. ДУ/У<0.

Так же обнаружено, что облучение реакторными нейтронами вызывает «разбухание» кристалла вдоль оси с, причем этот эффект сильнее при облучении полным спектром реакторных нейтронов. Определенное влияние на структурные параметры решетки GaN может оказывать и примесь Се, образующаяся за счет реакции Оа(п,у)->Ое. В настоящем эксперименте плотность атомов Ое в GaN для максимальных флюенсов тепловых нейтронов 81018 см"2 оценивается на уровне !0и см 3. В то же время, образование антиструктурных дефектов вей и межузельных атомов Ос, в облученном материале может приводить к увеличению параметра решетки н-Са>].

Показано, что оптическая и растровая электронная микроскопия не выявляет значительных различий между исходными и облученными быстрыми нейтронами и высокоэнергетичными электронами образцами л-ОаЫ с различным уровнем легирования.

В главе 6 приведены экспериментальные исследования ловушек в образцах п и p-GaN до и после облучения реакторными нейтронами и электронами.

Экспериментально показано, что после облучения быстрыми реакторными нейтронами образуются электронные ловушки с энергией активации 0,8 эВ (Оаг глубокие доноры) и 1 эВ - N1 акцепторы (рис. 5). Также наблюдается некоторое возрастание концентрации дырочных ловушек около Е^.+0,9 эВ и появление ярко выраженного пика, связанного с РО. Это указывает на главенствующую роль захвата носителей разупорядоченными областями.

Рисунок 5 - Спектры ОЬТЭ образца о-СаЫ, измеренные после облучения быстрыми нейтронами. 1 - исходный, 2 - Фб = 9.5К)'4 см"2, 3 - 2-1015 см"2; измерения при -0.5 В, при длительности прямого импульса 2с и амплитуде 1 В, с временными окнами 100 мс и 1000 мс.

Облучение образцов полным спектром реакторных нейтронов с

последующим отжигом до 800 °С выявляет электронные ловушки с энергией активации 0.45 и 0,2 эВ. Концентрация таких ловушек очень близка к концентрации атомов ве, образующихся в процессе ядерной реакции. Поскольку это явно не изолированные германиевые доноры, сделан вывод, что это комплексы атомов германия с радиационными дефектами. В дополнение к электронным ловушкам также обнаружены новые дырочные ловушки с энергией активации около 1,2 эВ. Из литературных данных следует, что данные ловушки - это комплексы Уоа-0, наблюдавшиеся в спектрах фото-ЭПР образцов, облученных электронами [9]. Поскольку концентрация кислорода ограничена, облучение большими флюенсами нейтронов не будет приводить к увеличению концентрации этих комплексов.

Измерения спектров ОЬТБ после облучения высокоэнергетичными (10 МэВ) электронами показывают, что основную роль среди электронных ловушек играют центры с энергией активации 0,2 эВ и 1 эВ (рис. 6).

л л _

0.8 еУ

0,01,

50 100 150 200 250 300 350 400 Те т рега№ге (К)

2,0 1,8 2 1,6 § 1,4 4 1,2 < 1,0 га 0,8 от 0,6 5 0.4

Ь 0,2 о 0.0

50 100 150 200 250 300 350 400 Temperature (К)

Рисунок 6 - Спектры DLTS, измеренные для образца MOCVD л-GaN с исходной концентрацией доноров 2- Ю1" см"' после облучения 10 МзВ электронами. I - исходный, 2 -П = 10! см". 3 - D = 1015 см"2; спектры DLTS измерены при -1В. прямом импульсе 0 В (длительность 2 с), с временными окнами 500 мс/5000 мс.

При более высоких дозах облучения появляются новые ловушки с пиком около 250 К (энергия активации 0,6 эВ) и другие дырочные ловушки с пиком около 350 К (энергия активации 0,8 эВ (рис. 7)). Предположено, что это комплексы VGa-Si. Так как скорость ведения этих ловушек невелика, такие центры существенным образом не влияют на скорость удаления носителей.

1 eV

л

/

3 i

0.2 eV /

У

X 0.25 eV °-6 eV .S 2

___-/^.-^■'•^T.'Li^^._______L

0,5 •

W 0,0 •

с -0,5 -

-р -1,0 -

<

"го с о> -1,5 •

-2,0 ■

!Л -2,5 ■

1п

ь- —J -3,0 ■

CJ -3,5 L 50

0.9 eV

| r

У

0.8 eV

0.9 eV

0.6 eV

100

400

150 200 250 300 350 ТетрегаЫге (К)

Рисунок 7 - Спектры СЮЬТЗ, измеренные для легированного кремнием образца п- ОаИ с исходной концентрацией доноров 2 ■ 1017 см"1, измеренные после облучения 10 М >В электронами. 1 - исходный. 2 - О = 1016 см"2, 3 - О = 1017 см"2; измерения при -1В, оптическом импульсе длиной 5 с от 365 нм временные окна 500 мс/5000.

Измерения адмиттанс-спектров исходных образцов /МЗаЫ (рис. 8), показывают присутствие обычных магниевых акцепторов с энергией активации 0,15 эВ и гораздо более мелких акцепторов с энергией активации 0,12 эВ.

S3000

с 2000 3

о 1000

31000

3

3

о

100 150 200 250 300 350 400 450 ТетрегаШге (К)

Рисунок 8 - Адмиттанс-спектры для исходного образца />ОаМ, показывающие присутствие двух различных типов акцепторов.

После Ю МэВ электронного облучения обнаружено образование более глубоких центров с энергией активации 0,4 эВ и 0,9 эВ (рис.9).

j—. .. . ............................

100 150 200 260 300 350 400 Temperature (К)

Рисунок 9 — СП1 .ТЯ спектры в образце /?-ОаЫ, измеренные после облучения 10 МэВ электронами. 1 - исходный, 2 - 0 = 2 -1014 см"2, 3 - 0 = ЗТО15 см"2 (для обратного смещения 0,5 В и обогащающего импульса -3 В (длительностью 5 с) с временными окнами г|=300, 12=3000 мсск).

Скорость удаления носителей в облучённом электронами р-ОаЫ очень высока, и, по крайней мере, на два порядка величины выше, чем в /?-ОаЫ. Наиболее вероятная причина связана с изменением зарядового состояния первичных радиационных дефектов в зависимости от начального положения уровня Ферми.

Из данных ВФХ измерений показано, что радиационная стойкость р-ОаК, выращенного различными методами выше, чем л-ОаМ

Глава 7 посвящена технологическим операциям, включающим: подготовку образцов к облучению, упаковку и загрузку образцов в облучателыгос устройство, облучение, дезактивацию облученных образцов, механическую и химическую обработки, отжиг, измерение электрофизических параметров, технику безопасности. Дано краткое описание основных характеристик исследовательского ядерного реактора ВВР-ц, в котором облучались исследуемые образцы. Номинальная мощность реактора 10 МВт. Реактор оснащен несколькими десятками вертикальных каналов диаметром от 40 до 120 мм на различном удалении от центра активной зоны, имеющих воздушное и водяное охлаждение. Облучение образцов проводилось в вертикальных каналах активной зоны реактора (канал 8-9) и на периферии в отражателе реактора (канал 9 - 96 см от центра активной зоны). Приведены экспериментально определенные условия облучения (плотность потока реакторных нейтронон, соотношение плотностей потоков тепловых и быстрых нейтронов, среда, температура), режимы последующей термообработки (температура, среда, скорости нагрева и охлаждения) и требования к исходному материалу (концентрация носителей заряда, тип структуры), являющиеся физическими основами для разработки технологии ядерного легирования и радиационного модифицирования нитрида галлия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведена количественная оценка образования первичных радиационных дефектов в ОаЫ, AlGaN и ГпОаЫ в зависимости от вклада различных составляющих реакторного излучения. Показано, что основной вклад в дефектообразованис вносят быстрые нейтроны - порядка 85-^95% в зависимости от условий облучения (каналы активной зоны или периферийные каналы). Определены расчетные формулы для определения суммарной концентрации вводимых донорных примесей и оценена эффективность их введения в результате ядерного легирования, с учетом вклада всех образующихся изотопов, в зависимости от флюенса тепловых нейтронов: для ОаТ* Ы0с = 0,126 ФТ, для АЮаК: N00* = 0,122 ФТ и для 1пСа№ ^„.^ = 6,75 ФТ. Показано, что наиболее эффективно процесс ядерного легирования атомами олова будет происходить в 1пОаЫ, в результате большого сечения поглощения тепловых нейтронов атомами 1п.

2. Обнаружены особенности изменения электрофизических свойств п- и р-GaN с различной исходной концентрацией носителей заряда от флюенса полного спектра и быстрых нейтронов, а также последующих термообработок. Показано, что

20

независимо от исходного типа, концентрации примеси и спектра реакторных нейтронов, электросопротивление нитрида галлия с ростом флюенса (до ~ 1018 см"2) возрастает, а при дальнейшем увеличении флюенса (>810'8 см'2) «аномально» уменьшается вследствие смещения уровня Ферми в предельное энергетическое положение Р||т вблизи Ес-0,8-0,9 эВ. Выявлены стадии отжига РД в м-ОаМ: 100+300 °С; 300+700 °С; 700-4000 °С при облучении полным спектром и 700+900 °С быстрыми реакторными нейтронами. В />-СаЫ, независимо от спектра реакторных нейтронов, выявлены стадии отжига РД: (100- 300)°С, (500+700) ПС и (750+850) °С и две стадии «обратного» отжига: (300+500) С и (650+800) °С. Термообработка облученного нейтронами я- и ^J-GaN до температуры 1000 °С не приводит к полному восстановлению электрофизических свойств.

3. Облучение как полным спектром, так и быстрыми реакторными нейтронами не влияет на ширину кривых качания. Облучение легированного л-ваК реакторными нейтронами не изменяет интенсивности ДРРЛ, в отличие от облучения нелепфованного ОаИ, у которого интенсивность ДРРЛ уменьшается. Показано, что облучение реакторными нейтронами и-ОаЫ вызывает «разбухание» кристалла вдоль оси с, причем этот эффект сильнее при облучении полным спектром реакторных нейтронов.

4. Облучение л-ОаЫ с различным уровнем исходного легирования как преимущественно быстрыми реакторными нейтронами, так и высокоэнергетичными электронами не приводит к значительным различиям в морфологии поверхности образцов по сравнению с исходным материалом.

5. Определены параметры широкого набора глубоких ловушек в запрещенной зоне, облучнного реакторными нейтронами и электронами п- и /)-ОаЫ. В л-ОаМ: электронные ловушки имеют энергии активации 0,06 эВ, 0,15 эВ, 0,2 эВ, 0,25 эВ, 0,45 эВ, 0,6 эВ, 0,85 эВ, 1 эВ, дырочные ловушки имеют энергии активации 0,6 эВ, 0,8 эВ 0,9 эВ, 1,2 эВ. В /МЗаЫ обнаружены ловушки с энергиями активации: 0,12 эВ, 0,15 эВ, 0,17 эВ, 0,4 эВ, 0,9 эВ.

6. Полученные в работе экспериментальные результаты имеют важное прикладное значение для прогнозирования свойств нитрида галлия и приборов на его основе при эксплуатации в условиях повышенной радиации и температуры, и могут быть использованы как физические основы для разработки технологий ядерного легирования и радиационного модифицирования нитрида галлия на базе действующих ядерных реакторов, позволяющие создавать приборы с уникальными характеристиками для широкого спектра практических применений.

21

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. В.Н. Брудный, С.С. Всрсвкин, A.B. Говорков, B.C. Ермаков, Н.Г. Колип, A.B. Корулин, А.Я. Поляков, Н.Б. Смирнов. «Электронные свойства и глубокие ловушки облученного электронами л-GaN». ФТП, том 46, вып. 4, с. 450-456 (2012).

2. В.Н. Брудный, С.С. Веревкин, B.C. Ермаков, Н.Г. Колин. «Радиационные дефекты и электрофизические свойства GaN». Известия ВУЗов №12/2 2011.

3. A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, E.A. Kozhukhova, Stephen J.Pearton, Fan Ren, Lu Liu, J.W. Johnson, Wantae Lim, N.G. Kolin, S.S. Veryovkin, V.S. Ermakov. «Comparison of neutron irradiation effects in AlGaN/AlN/GaN, AlGaN/GaN, and InAlN/GaN heterojunetions». J. Vac. Sci.&Technol. В 30(6), 061207-1- 061207-7, Nov/Dec 2012.

4. Ya-Shi Hwang, Lu Liu, Fan Ren, Alexander Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, E.A. Kozhukhova, N.G. Kolin, V.M. Boiko, S.S. Vereyovkin, V.S. Ermakov, Chien-Fong Lo, Oleg Laboutin, Y. Cao, J.W. Johnson, N.I. Kargin R.V. Ryzhuk, Stephen J. Pcarton. «Effect of electron irradiation on AlGaN/GaN and InAlN/GaN heterojunetions». J. Vac. Sei. Technol. В 31(2), Mar/Apr 2013. 022206-1, 022206-6.

5. B.M. Бойко, В.Н. Брудный, С.С. Всрсвкин, B.C. Ермаков, Н.Г. Колин, A.B. Корулин, А.Я. Поляков. «Электронные свойства p-GaN(Mg), облученного реакторными нейтронами». ФТП, 2014, т 48,вып.7,с.885-889.

6. В.М. Бойко, С.С. Веревкин, B.C. Ермаков, Н.Г. Колин, A.B. Корулин, О.Л. Кухто, А.Я. Поляков, В.А. Чевычелов. «Радиационные технологии модифицирования свойств эпитаксиальных слоев на основе нитрида галлия». Конференция молодых атомщиков по научным и другим аспектам - «Команда 2012», Санкт-Петербург, Росатом, июнь 2012.

7. С.С. Веревкин, В.М. Бойко, В.Н. Брудный, B.C. Ермаков, Н.Г. Колин, A.B. Корулин, А.Я. Поляков. «Электронные свойства n-GaN облученного высокоэнергетичными электронами». Тезисы докладов 10-го Международного уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов», стр. 87. Кьпнтым, Челябинская обл., ИФМ РАН 25 февраля-3 марта 2013.

8. Бойко В.М., Веревкин С.С., Ермаков В.С^ Колин Н.Г., Корулин A.B.

«Электронные свойства p-GaN(Mg), облученного реакторными нейтронами».

Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, аспирантов,

студентов и учащихся Атомградов России «Научный потенциал молодежи в

развитии атомной промышленности России», ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», г.

Москва - Бекасово, Тезисы стр. 257 апрель 2013 года.

22

9. Веревкин С.С., Бойко В.М., Ермаков B.C., Колин Н.Г., Корулин A.B., Кухто О.Л., Харитонова Т.Н. «Особенности дсфсктообразования в />-GaN(Mg), облученного большими флюенсами реакторных нейтронов». Отраслевой семинар «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники», г. Обнинск, ФЭИ, апрель 2013 г.

Ю.Ермаков B.C., Бойко В.М., Веревкин С.С., Колин Н.Г., Корулин A.B., Кухто О.Л., Харитонова Т.Н. «Электронные свойства n-GaN(Si), облученного высокоэнергстичными электронами». Отраслевой семинар «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники», г. Обнинск, ФЭИ, апрель 2013 г.

11. Бойко В.М., Веревкин С.С., Ермаков B.C., Колин Н.Г., Корулин A.B., Поляков А.Я. «Влияние облучения быстрыми нейтронами реактора на свойства структур на основе GaN». Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем». Тезисы докладов стр. 119, июнь 2013 г., г. Лыткарино, НИИПП.

12. Бойко В.М., Веревкин С.С., Ермаков B.C., Колин Н.Г., Корулин A.B., Поляков А.Я. «Радиационная стойкость структур на основе GaN к воздействию высокоэнергетичных электронов». Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» Тезисы докладов стр. 120, июнь 2013 г., г. Лыткарино, НИИПП.

13. Веревкин С.С., Бойко В.М., Ермаков B.C., Колин Н.Г., Корулин A.B. «Свойства p-GaN(Mg), облученного реакторными нейтронами». Международный семинар MHT-XII «Структурные основы модифицирования материалов», 17-20 июня 2013г, г. Обнинск, ИАТЭ НИЯУ МИФИ. Тезисы докладов стр.16

14. В.М. Бойко, В.Н. Брудный, С.С. Веревкин, B.C. Ермаков, Н.Г. Колин, A.B. Корулин, А.Я. Поляков «Образование и отжиг радиационных дефектов в n-GaN, облученном электронами». XI Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники - 2013», сентябрь 2013 г., г. Санкт-Петербург, ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Тезисы докладов стр. 342.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

г13 Kahn F- J- Appl. Phys., Vol. 30, No. 8, 1310 (1959).

[2] Вопросы радиационной технологии полупроводников, под ред. Л.С. Смирнова (Новосибирск, Наука. Сиб. отделение, 1980).

[3] В.М. Бойко, С.С. Версвкин, Н.Г. Колин, A.B. Корулин, Д.И. Меркурисов, А.Я. Поляков, В.А. Чсвычелов. Влияние нейтронного облучения и температуры отжига на электрофизические свойства и период решетки эпитаксиальных слоев нитрида галлия. Физика и техника полупроводников, 2011, том 45, вып. 1.

[4] 7. S.J, Pcarton, A.Y. Polyakov. Int. J. Mater, and Structural Integrity. 2(1/2), 93 (2008).

[5] В.Н.Брудный, А.В.Кособуцкий, H.Г.Колин. Изв. Вузов Физика 51(12), 24 (2008).

[6] Z.-Q. Fang, D.C. Look, W. Kim, Z. Fan, A. Botchkarev, H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 72,2277(1998).

[7] S.A. Goodman, F.D. Aurct, F.K. Koschnick, J.-M. Spaeth, B. Baumont, P. Gibart. Mat. Sei. Eng. B71, 100 (2000).

[8] K. Lorenz, J.K. Marcues, N. Franco, T.Alves, M. Peres, M.R. Correia, T. Monteiro. Nucl. Instr. and Meth. B. 266, 2780 (2008).

[9] S.J. Pcarton and A.Y. Polyakov, Effects of Radiation Damage in GaN and Related Materials, International Journal of Materials and Structural Integrity. Damage Mechanics of Electronic Materials, v. 2, p, 93-105 (2008).