Особенности процессов образования радиационных дефектов в полупроводниковых материалах IV группы и нитридах III группы с мелкими примесями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ЕМЦЕВ Константин Вадимович

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ IV ГРУППЫ И НИТРИДАХ III ГРУППЫ С МЕЛКИМИ ПРИМЕСЯМИ

Специальность 01 04 07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук

00306 1418

Санкт-Петербург-2006

003061418

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Козловский Виталий Васильевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Трушин Юрий Владимирович

кандидат физико-математических наук, Ломасов Владимир Николаевич

Ведущая организация Физический институт им П Н Лебедева РАН

Защита состоится «_19_» сентября 2007 г в 16 00 часов на заседании диссертационного

совета Д 212 229 05 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу

195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29, корп 2, ауд 265

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан 20071

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 229 05 доктор физико-математических наук профессор ЮФ Титовец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Облучение кристаллических твердых тел ядерными частицами, энергия которых достаточна для упругого смещения регулярных атомов из узлов решетки, представляет собой самый распространенный и контролируемый способ образования дефектов структуры и изменения их концентрации Практическое значение таких работ очевидно На основе полученной информации совершенствуются технологические процессы изготовления радиационно-устойчивыч материалов и разрабатываются технологические приемы целенаправленного изменения их электрических и оптических свойств за счет введения дефектов радиационного происхождения при строго дозированном облучении, см, например, [1] Научный аспект радиационных исследований кристаллических твердых тел заключается в более глубоком понимапии природы и сущности фундаментальных процессов в реальных кристаллах

Среди исследованных полупроводниковых материалов указанные вопросы удалось в основном разрешить только для кремния, для ко юрою блестящие исследования структуры радиационных дефектов с помощью электронного парамагнитного резонанса, выполненные Дж Уоткинсом с сотр [2], были дополнены данными электрических, ошических, фотоэлектрических и других измерений Однако до сих пор радиационные эксперименты проводились в основном на слабо и умеренно легированном кремнии с концентрацией носителей заряда до 1017 см'3 Природа и поведение точечных дефектов в спльнолегированных материалах мало изучены, хотя в настоящее время интерес к этой проблеме резко возрос в связи с новыми потребностями производства полупроводниковых приборов

К сожалению, несмотря на большой объем выполненных работ, вопрос о механизмах образования, энергетических спектрах и природе дефектов в германии остается во многих отношениях открытыми, а моделирование радиационных процессов обычно проводится на основе представлений об идентифицированных в кремнии точечных дефектов Поэтому актуальным является вопрос об исследовании радиационных дефектов в германии, исходя из вновь возникшего интереса электронной промышленности к эшму полупроводнику и его сплавов с кремнием Как и следовало ожидать, главное внимание исследователей привлечено к взаимодействию собственных дефектов с мелкими примесными центрами III и V групп, поскольку последние являются основными легирующими примесями в кремнии и германии

В последние годы огромный всплеск интереса к исследованию прямозонных нитридов III группы, таким как нитрид галлия и нитрид индия, обусловлен их перспективным использованием в оптоэлектронике Однако анализ имеющейся литературы показывает, что информация о свойствах собственных точечных дефектов в этих материалах скудна и противоречива, а радиационные эксперименты на этих материалах практически отсутствуют Поэтому накопление экспериментальных данных, относящихся к свойствам точечных дефектов в нитридах III группы и составляющих основу инженерии дефектов с мелкими легирующими примесями, представляется крайне актуальным

Принимая во внимание вышесказанное, целью данной работы являлось изучение процессов образования и отжига радиационных дефектов главным образом в сильнолегированных полупроводниковых материалах IV группы и нитридах III группы с мелкими легирующими примесями В соответствии с этим были определены основные задачи работы

- провести сравнительное изучение скорости образования первичных и вторичных радиационных дефектов в сильнолегированном кремнии п- и р-типа при облучении быстрыми электронами при двух температурах Т= 4,2 К и 300 К, а также сопоставить сечения образования электрически активных дефектов с расчетным сечением образования первичных радиационных дефектов (пар Френкеля),

- провести сравнительное исследование высокотемпературных процессов отжига радиационных дефектов в сильнолегированном кремнии я-шна с различными мелкими примесями V группы,

провести сравнительное изучение процессов образования радиационных дефектов в германии с различными мелкими примесями V группы под действием гамма-облучения 60Со,

- использовать облучение сильнолегированного нитрида галлия и нитрида индия ядерными частицами для получения первичной информации о свойствах образующихся радиационных дефектов

Научная новизна работы

1 Установлено, что использование данных по изменению удельной электропроводности для определения абсолютных изменений концентрации носителей заряда в вырожденном кремнии при облучении быстрыми электронами и в процессе отжига сильно искажает последние, так как основное предположение о неизменности подвижности носителей заряда при относительно малом изменении электропроводности облученных вырожденных материалов (даже в пределах нескольких процентов) оказывается неверным В

действительности, ошибка может достигая. 50% В случае вырожденных материалов необходимы прямые электрические измерения концентрации электронов и дырок методом эффекта Холла

2 Определены сечения образования электрически активных дефектов в вырожденном кремнии п- и р-тша, облученных быстрыми электронами с энергией 2,5 МэВ при Т= 4,2 К и 300 К Сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными сечениями образования первичных дефектов (пар Френкеля) позволило пересмотреть существующие модельные представления об электрической активности пар Френкеля в кремнии

3 Выявлены особенности отжига радиационных дефектов в сильнолегированном кремнии п-типа с мелкими примесями V группы по сравнению с процессами отжига радиационных дефектов в материалах с низким уровнем легирования, в которых доминирующими дефектами являются £-центры (акцепторный комплекс вакансия -примесный атом V группы) Эти особенности указывают на формирование в сильнолегированном материале комплексов, включающих в свой состав вакансию и несколько примесных атомов

4 Детальное исследование процессов образования и отжига дефектов в германии п-типа с мелкими примесями V группы, подвергнутом гамма-облучению 60Со и последующему изохронному отжигу, позволило определить свойства акцепторных центров радиационного происхождения, содержащих примесные атомы V группы По своим свойствам указанные дефекты идентифицированы как комплексы вакансия - примесный атом V группы, по структуре аналогичные ¿'-центрам в кремнии

5 Показано, что электрические параметры нитрида галлия и-типа с мелкой примесью кремния при радиационном воздействии изменяются за счет образования глубоких акцепторов, которые сопоставляются вакансиям в подрешетке галлия Однако этот процесс компенсации электронной проводимости в облученном и-ОаЫ при комнатной температуре в значительной мере смягчается одновременным образованием неглубоких доноров радиационного происхождения ~ Ее - 70 мэВ Последние отнесены к вакансиям в подрешетке азота Установлено также, что мелкая примесь кремния в л-ваК не взаимодействует с собственными точечными дефектами, и ее концентрация остается неизменной при облучении и отжиге нитрида галлия

6 Установлено, что облучение тонких пленок вырожденного или почти вырожденного нитрида индия «-типа протонами с энергией 150 кэВ приводит к интенсивному образованию радиационных дефектов с мелкими донорными состояниями, в рез>льтате чего концентрация носителей заряда в облученном п-1пЫ может превысить исходную концентрацию на порядок

величины и более Кинетика образования указанных дефектов, их электрические свойства, а также процесс отжига позволяют отнести эти дефекты к вакансиям в подрешетке азота, стабильными при комнатной температуре Практическая значимость.

Результаты диссертационной работы по точечным радиационным дефектам в кремнии и германии вносят существенный вклад в современные представления о природе и свойствах первичных и вторичных дефектов в элементарных полупроводниках IV группы, в частносш в проблему образования комплексов с мелкими легирующими примесями Выявленные особенности комплексов с несколькими примесными атомами, образующихся в сильнолегированном кремнии, в частности их высокая термическая устойчивость, должны учитываться при выращивании таких кристаллов Новые данные о точечных дефектах в нитриде галлия и индия позволяют по-новому взглянуть на проблемы инженерии дефектов в указанных материалах и их твердых растворах и могут быть практически использованы при «холодном легировании» дефектами радиационного происхождения Основные научные положения, выносимые на защиту

1 Резкая асимметрия сечения образования электрически активных дефектов в вырожденном кремнии п- и р-типа при температурах облучения, близких к температуре жидкого гелия, определяется различием электрической активности первичных радиационных дефектов (пар Френкеля и их компонентов)

2 Высокотемпературный отжиг дефектов, образующихся в сильнолегированном кремнии и-типа при облучении быстрыми электронами, резко отличается от процессов отжига, наблюдаемых в кремнии с низким уровнем легирования мелкими примесями V группы, за счет формирования вакансионных комплексов, включающих в себя несколько примесиых атомов

3 Определены акцепторные состояния вторичных радиационных дефектов, образующихся в германии л-типа с различными мелкими примесями V группы при взаимодействии этих примесных аюмов с собственными точечными дефектами По своей природе эти дефекты отнесены к комплексам вакансия - примесный атом V группы, структура которых аналогична ^-центрам в кремнии

4 Изменения электрических параметров нитрида галлия и-типа с мелкой примесью кремния в процессе облучения быстрыми электронами с энергией 0,9 МэВ при 7= 300 К и последующего отжига до 7=700 К определяются следующими факторами образованием и отжигом дефектов с донорными уровнями ~ Ее - 70 мэВ и дефектов с глубокими

акцепторными состояниями, а также отсутствием взаимодействия мелкой примеси кремния с собственными точечными дефектами

5 Электрические свойства нитрида индия n-типа в результате радиационного воздействия изменяются в основном за счет образования собственных точечных дефектов с мелкими донорными состояниями, которые идентифицируются по своим свойствам как вакансии в подрешетке азота

Таким образом, исследованные полупроводниковые материалы позволяют показать различные типы поведения метких донорных примесей во взаимодействии с собственными точечными дефектами при облучении образование комплексов акцепторного типа (одновременно с потерей мелких донорных состояний) в кремнии и германии, отсутствие какого-либо взаимодействия (при наличии простой компенсации мелких донорных центров глубокими акцепторами радиационного происхождения) в нитриде галлия и эффективное «легирование» мелкими донорными центрами за счет образования собственных точечных дефектов в нитриде индия, при котором концентрация образованных центров может намного превысить исходную концентрацию доноров

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях

- International conference on shallow level centers in semiconductors, Warsaw, Poland, 2002

- 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials Bologna, Italy, 2004

- 23rd International conference on defects in semiconductors, Japan 2005

- XXXVI Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами Москва, 2006 г

- XVI Международное совещание "Радиационная физика твердого тела" Севастополь, 2006 г

- Workshop on defects relevant to engineering advanced silicon-based devices, Crete, Greece, 2006

- Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Нижний Новгород, 2006 г

- XXXVII Международная конференция по фимке взаимодейавия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2007

Материалы диссертации проходили peí улярную апробацию на семинарах СПбГПУ Публикации По материалам диссертации опубликовано 10 работ, список которых приведен в конце автореферата

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы Список литературы содержит 95 наименований Отдельно

приведен список публикаций автора по теме диссертации из 10 наименований Объем диссертации 120 страниц, в том числе 40 рисунков и 5 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации кратко обоснована актуальность работы, определены цели исследований, сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные научные положения, выносимые на защиту

В первой главе даны краткие пояснения к понятиям и терминам, используемым в радиационных экспериментах, а также проведен анализ литературных данных

Учитывая ведущую роль, которую играет кремний в современной микроэлектронике, обзор начинается с очень краткого представления литературных данных, относящихся к точечным дефектам в этом полупроводнике Ввиду огромного объема имеющийся информации основной акцент в обзоре сделан на свойствах тех собственных дефектов и вторичных комплексах с мелкими примесными атомами III и V групп, которые могут быть актуальными для материалов, исследованных в данной работе Это, прежде всего, сильно легированные монокристаллы кремния Следует отметить, что для такого кремния сведения о доминирующих типах дефектов в литературе весьма скудны и разрознены, хотя в настоящее время потребность в систематическом изучении такого материала, включая радиационное воздействие, несомненна

Радиационные дефекты в другом полупроводнике IV группы - бчижайшем аналоге кремния - германии феноменологически исследованы достаточно хорошо, однако их идентификация, особенно комплексов с мелкими легирующими примесями, носит предположительный характер Хорошо известно, что германий, легированный мелкими примесями V группы, при облучении быстрыми электронами и гамма-облучении испытывает конверсию типа проводимости п-> р вследствие активного взаимодействия этих донорных примесей с собственными дефектами, в результате чего происходит уменьшение концентрации мелких примесных центров Предполагается, что возникающие комплексы с примесными атомами в облученном германии аналогичны £-центрам в кремнии, атомная и электронная структура которых надежно установлена [2] К сожалению, энергетический спектр таких дефектов, ответственных за уменьшение концентрации мелких донорных центров в облученном германии, не был достоверно определен до настоящей работы, хотя в литературы обсуждались отдельные модельные соображения [3]

Что касается радиационных дефектов в нитриде галлия и нитриде индия, то до проведения настоящих радиационных экспериментов сколько-нибудь систематические исследования радиационных дефектов в них отсутствовали, поскольку в то время спорными были даже вопросы исходного легирования этих полупроводников

Таким образом, представленный обзор литературы позволил выделить актуальные аспекты радиационных экспериментов в указанных полупроводниковых материалах и обозначить цели исследований

Во второй главе диссертации описаны детали техники эксперимен га, использованной в настоящей работе

В качестве исходных материалов были выбраны монокристаллы сильно- легированно! о кремния, выращенные по методу Чохральского Концентрация мелких примесей V группы (Р, As и Sb) или III группы (В) в них находилась в пределах от 8 1018 см3 до 4 1019 см3 Для монокристаллов германия и-типа, легированного мелкими примесями V группы (Р, As, Sb и Bi), концешрация была в интервале от 1 1014 см"3 до 1 1015 см3 для того, чтобы удовлетворить требованиям надежных измерений методами эффекта Холла и нестационарной емкостной спектроскопии Что же касается нитридов III группы, то это были эпитаксиальные пленки выращенные в основном на подложках из сапфира Пленки выращивались различными методами , и параметры технологических процессов изменялись в ходе экспериментов с целью получения наиболее чистых материалов

Для генерации собственных точечных дефектов были использованы различные источники облучения в зависимости от исходных электрических параметров исследуемых материалов В частности, применялись ускорители бысгрых электронов с энергией 0,9 МэВ и 2,5 МэВ Кроме того, облучение проводилось с помощью гамма-лучей от источника 60Со Для нитридов III группы использовалось как облучение электронами с энергией 0,9 МэВ, так и протонами с энергией 150 кэВ

Проведение радиационных экспериментов включало в себя измерения электрических параметров исследуемых материалов в исходном состоянии, после облучения и в процессе изохронного отжига Измерение эффекта Холла и удельной электропроводности с помощью метода Ван-дер-Пау при различных температурах давало возможность определить температурные зависимости концентрации и подвижности свободных носителей заряда, анализ которых для невырожденных полупроводников на основе соответствующих уравнении электронейтральности позволял оценить раздельно как полную конценфацию

мелких центров, так и концентрацию компенсирующих акцепторов Для полупроводника п-шпа уравнение электрической нейтральности записывается в общем виде [4,5]

и = £---£-_

' * l + y^'exp

kl кТ

где N^ -

концентрация компенсирующих акцепторов, образуемых к-м уровнем, Eui и Д* - энергия ионизации и фактор вырождения рассматриваемого уровня, Nj, - концентрация донорного уровня, образуемого г-м примесным центром, Ел и [ij, - энергия ионизации и кратность вырождения рассматриваемого уровня, к - постоянная Больцмана, Ер - уровень Ферми Для исследования радиационных дефектов в легированном германии «-типа проводились также измерения емкостных спектров Для этого изготовлялись структуры с барьером Шоттки и использовалась высокочувствительная установка DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) В данной главе дано краткое описание технологии изготовления электрических контактов к образцам и процедуры проведения изохронного отжига облученных образцов

Обсуждение этих важных вопросов техники экспериментов позволяет заключить, что выбранный путь исследования радиационных дефектов в указанных выше полупроводниковых материалах обеспечивает получение достоверной информации об их электрических свойствах и параметрах Эю, в свою очередь, дает возможность делать надежные выводы о природе точечных дефектов и их взаимодействии с легирующими примесями

В третьей главе приведены данные электрических измерений радиационных дефектов в сильнолегированном кремнии Содержание этой главы распадается на две части В первой части обсуждаются процессы образования дефектов в л-Si и p-Si при двух температурах облучения быстрыми электронами (Т= 4,2 К и 300 К) Во второй части приведены результаты исследования изохронного отжига радиационных дефектов в сильнолегированном кремнии и-типа

Электронное облучение вырожденного кремния при двух температурах позволило с общих позиций взглянуть на процессы образования первичных дефектов При оптимальных условиях облучения удалось зарегистрировать самую большую скорость удаления носителей заряда в кремнии (см таблицу), что, в свою очередь, позволило оценить пороговую энер| ию упругою смещения регулярных атомов кристаллической решетки в интервале между 20 эВ и

30 эВ Далее огромное различие как в скорости удаления носителей заряда в вырожденных материалах п- и р-типа при криохенных температурах 7<10 К (более чем в 20 раз даже для

быстрых электронов с энергией 2,5 МэВ) (рис \а), так и в изменении подвижности свободных

электронов и дырок (рис 16) объясняется различной

элекхрической активностью пар Френкеля и составляющих дефектов (вакансий и собственных междоузельных атомов) в материале с электронной и дырочной проводимостью Кроме

Материал условия облучения Скорость удаления //„ р, см 1

n-Sl,£-l,0M3B при 7< 1 OK <0 02 [6] 018±0 06 (наст работа)

W-Sl, Е= 2 5 МэВ при 7=ЗООК 1 1±0 02 [б] 4±1 (наст работа)

p-Sl,£-l,0M?B при 7<10К 1 1±0 5 [6] и (наст работа) 5±1 (наст работа)

p-Sl,E=2,5 M-iB при 7=300k 2 2±0 4 [б] 6±1 (наст работа)

см') при электронном облучении Электрические измерения и облучение проводились т situ при одной температуре

того, прямые электрические измерения показали, что использование в радиационных экспериментах только данных по удельной проводимости для оценки скорости удаления носителей заряда, что часто применяется из-за простоты техники измерений, может привести к значительному искажению результатов Имеются аналогичные примеры и для других материалов Так, наши дополнительные эксперименты по прямому измерению скоростей удаления носителей заряда в умеренно легированных н-Э! и л-БЮ (6Н и 4Н, п~ 1016 см"3) при электронном облучении с Е= 0,9 МэВ и Г=300 К, соответственно г/„ =0,11 и 0,015 см'1, позволили также подтвердить предположение о более высокой стойкости я-5|С к радиационному воздействию по сравнению с л-81, по крайней мере для слоев карбида кремния, полученных методом сублимационной эпитаксии

1 0

ч ф

I 09 о

cl 08 о.

о

■5 07

06 00

St As

\ Si В 1

5 0x10 ° 1 0x10 1 5x10 2 0x10 s Доза облучения, см"2 а

5 0x10 1 0x10 1 5x10" 2 0x10" Доза облучения, см2 б

Рис 1 Относительные изменения концентрации (я) и подвижности (б) носителей заряда в зависимости от дозы облучения в сильнолегированном п-51 и р-81 после облучения электронами с энергией 2,5 МэВ при Т-4,2 К

Данные по изохронному отжигу радиационных дефектов в сильно легированном кремнии п-типа ясно свидетельствуют о том, что эти процессы протекают совершенно иначе, чем реакции залечивания £-центров (комплексов вакансия - примесный атом V группы) в умеренно легированном п-Для последних характерна стадия отжига указанных комплексов около 7=400 К В сильнолегированном и-Э» восстановление исходной концентрации электронов наблюдается при существенно более высоких температурах 7= 600 - 700 К, что может объясняться формированием более сложных комплексов вакансия -два примесных атома V группы при отжиге Следует отметить, что такие модельные представления согласуются с данными [7], полученными при исследовании процессов аннигиляции позитронов на радиационных дефектах в силыюлегированном кремнии и-типа

Четвертая глава диссертации посвящена изучению радиационных дефектов в и-Ое, легированном мелкими примесями V группы (Р, Аз, ЭЬ и ВО, в развитие предварительного исследования радиационных дефектов в п-Ос БЬ [8] Системный подход к постановке радиационных экспериментов позволил сделать ряд новых заключений В качестве примера на рис 2 показаны емкостные спектры для облученных образцов германия с различными мелкими примесями Было установлено, что доминантный пик в спектрах проявляется при разных температурах в зависимости от химической природы примеси Для сравнения приведен также спектр, в котором основной пик связан с комплексами вакансия - атом кисчорода Использование лапласовской модификации емкостных измерений позволило выявить закономерности в изменении таких характеристических параметров рассматриваемых центров как энергия активации эмиссии электронов Д£п« прсдэкспоненциальный фактор А.л. и кажущееся сечение захвата

ехр(Д/?/к),

где сг„о - сечение захвата при 1Л =0, которое используется для описания многофононных процессов захвата на глубокие центры, а ДЯ - изменение энтропии при ионизации глубоких состояний Измеренные величины АЕПС и Лцс для основных электронных ловушек

иь» -5 0 V - Цр= -0 5 V / 1 = 1 л« / / е,» 80 в1 / У \ 5

/л 4

-X V 3

\ V. 2 "

\ . 1

,

50 100 150 200 250

Температура, К

Рис 2 1)Ы5 спектры для Се Р (I), Се Аэ (2), Ое БЬ (3) и Ое В! (4) после у-облучения Для сравнения спектр 5 записан для п-ве, обогащенном кислородом, после у-облучения

радиационного происхождения подчиняются правилу Манера - Нелделя, согласно которому для однотипных дефектов In (А„с) является линейной функцией ДЕк Тем самым подтверждается вывод о том, что речь идет о примесных комплексах одного типа Анализ данных позволил определить изменения энтальпии и энтропии при ионизации рассматриваемых дефектов По сравнению с ¿-центрами в кремнии, для которых AS < к, в германии для аналогичных комплексов эта величина составляет несколько к Как и в кремнии, изохронный отжиг обсуждаемых дефектов в области Т= 400 - 430 К также выявляет зависимость от химической природы примесей

Особенности использованных барьеров Шоттки на германии «-типа позволили исследовать процессы захвата дырок на радиационные дефекты при инжекции неосновных носителей заряда при прямом смещении Скорость образования ловушек для электронов и дырок в облученном и-Ge оказались близкими по величине, а энергия активации эмиссии основных и неосновных носителей заряда и термическая стабильность дефектов явно зависят от химической природы примеси V группы Все это позволило описать рассматриваемые процессы захвата как проявление двух акцепторных состояний одного и того же комплекса в германии вакансия - примесный атом Vгруппы

В пятой главе приводятся и обсуждаются результаты изучения радиационных дефектов в нитридах III группы на примере нитрида галлия и нитрида индия и-типа Нитрид галлия Наиболее интересные результаты в радиационных экспериментах по изучению точечных дефектов в «-GaN, легированных мелкой примесью кремния, были получены на чистых и слабо компенсированных образцах с концентрацией и подвижностью носителей заряда при комнатной температуре около п ~ 6 1016 см3 и ц, ~ 800 см2/В с, соответственно Было установлено, что облучение л-GaN быстрыми электронами с Е= 0,9 МэВ при Т— 300 К приводит к простой компенсации электронной проводимости глубокими акцепторами радиационного происхождения Таким образом, мелкая примесь кремния не взаимодействует с собственными точечными дефектами кристаллической решетки при указанных условиях облучения и ее концентрация остается неизменной в процессе облучения Было также установлено, то в результате облучения образуются дефекты с неглубокими донорными состояниями около Ее - 70 мэВ, которые почти полностью ионизованы при Т ~ 300К Эффективные скорости образования радиационных дефектов донорного и ацепгорного типов примерно равны (щrad = 0 3 см ' и 77arad = 02 см'1) Сильные изменения подвижности носителей заряда в облученном л-GaN свидетельствуют о том, что процессы рассеяния электронов при криогенных температурах определяются многозарядными акцепторами Исследование процессов изохронною отжига

рассматриваемых радиационных дефектов в облученном w-GaN показало, что до температур Т < 200° С их концентрации остаются неизменными (в пределах погрешности измерений) Полный отжиг этих дефектов происходит практически на одной стадии и, как следствие, наблюдается восстановление исходных значений концентрации и подвижности носителей заряда при Т = 670 К Глубокие акцепторные состояния наибочес вероятно связаны t, вакансиями галлия V ъ~, и тогда сильное изменение подвижности носителей заряда при облучении получает естественное объяснение, так как парциальный вклад рассеяния на заряженных дефектах пропорционален второй степени зарядового числа рассеивающих центров Согласно теоретическим представлениям [9], вакансии азота в GaN обладают нетлубокими донорными состояниями, что позволяет интерпретировать радиационные дефекты донорного типа ~ £с-70 мэВ как принадлежащие этим собственным дефектам Таким образом, согласно предварительной идентификации дефектов, электрическую активность в облученном и-GaN проявляют вакансии в обеих подрешетках Собственные междоузельные атомы гачлия и азота по современным теоретическим представлениям, являются глубокими донорами

Нитрид индия. В этом материале ситуация с собственными точечными дефектами представляется более запутанной Для радиационных экспериментов на и-InN подходящим является облучение протонами с энергией Е= 150 кэВ Во всех случаях протонное облучение л-InN приводит к эффективному образованию дефектов донорного типа, в результате чего концентрация носителей заряда в диапазоне температур Т= 78-300 К резко возрастает Это свидетельствует о том, что возникающие донорпые центры обладают мелкими состояниями Скорость образования рассматриваемых дефектов при облучении я-InN составляет около rj„ -104 см 1 Кинетика образования этих радиационных дефектов линейна, что характерно для процессов генерации собственных точечных дефектов Исследование процесса изохронного отжига радиационных дефектов показало, что первые признаки отжига начинаются при температуре выше Т- 400 К Основная стадия отжига охватывает температурный интервал Т= 470 - 670 К К сожалению, при более высоких температурах само бинарное соединение оказывается неустойчивым и проведение отжига невозможно Теоретические расчеты дефектов в этом полупроводнике [10] указывают, что вакансии азота могут обладаю! мелкими донорными состояниями, хотя положение энергетических уровней надежно не определено Принимая во внимание тип электрической активности радиационных дефектов в rt-InN и характер кинетики образования, они могут быть идентифицированы как вакансии азота

В заключении кратко сформулированы основные научные результаты работы Они состоят в следующем

1 Исследованы процессы образования первичных и вторичных точечных дефектов в ситьнолегированном кремнии подвергнутом облучению быстрыми электропами с энергией 2,5 МэВ при двух температурах -Т~4КиТ~ 300 К Совместный анализ полученных результатов с известными данными по удалению носителей заряда в аналогичном материале при электронном облучении с более низкои энергией, а также с данными по диффузному рассеянию рентгеновских лучей радиационными дефектами позволили сделать вывод о том, что пары Френкеля как первичные дефекты электрически нейтральны в материале л-типа Их разделение на компоненты происходит в температурном интервале 80 - 100 К Напротив, в материале /»-типа первичные дефекты положительно заряжены Их разделение на компоненты не имеет резко выраженной стадии вследствие высокой подвижности собственных междоузельных агомов при криогенных температурах Сопоставление наблюдаемой скорости генерации первичных дефектов в сильнолегированном кремнии с расчетной скоростью генерации пар Френкеля в рамках простои модели упругого смещения регулярных атомов при рассеянии быстрых элек фонов дает возможность оценить пороговую энергию смещения между 20 эВ и 30 эВ Изучение процессов высокотемпературного отжига точечных дефектов в сильно- легированном облученном кремнии «-типа указало на эффективность взаимодействия диффундирующих ¿-центров с мелкой примесью V группы и формирование термически более устойчивых вакансионных комплексов с двумя примесными атомами

2 Детальное изучение процессов взаимодействия собственных точечных дефектов с мелкими примесями V группы в гамма-облученном n-Ge позволило идентифицировать вакансионные комплексы с участием Э1их примесных атомов и проследить закономерное!и в изменении их свойств в зависимости от химической природы мелкой донорпой примеси

3 Исследованы процессы образования и отжига радиационных дефектов в нитриде галлия /i-типа с мелкой донорпой примесью кремния Установлено, что при облучении п-GaN быстрыми электронами с энергией 0,9 МэВ, а также в процессе отжига до 670 К примесные атомы не взаимодействуют с собственными точечными дефектами, и все изменения электрических параметров материала при таком радиационном воздействии в основном определяются поведением и свойствами вакансий азота и вакансий галлия

4 Проведены радиационные эксперименты на сильнолегированных образцах нитрида индия «-типа с исходной концентрацией электронов в диапазоне от ю" см3 до Ю20 см"3, облученных протонами с энергией 150 кэВ Показано, что при облучении образуются

дефекты с мелкими донорными состояниями, концентрация которых линеино растет с дозой облучения во всем диапазоне от 10м см"2 до 1016 см"2 Установлено, что концентрация этих радиационных дефектов с мелкими донорными состояниями в относительно чистых образцах и-ЫМ может быть увеличена на два - три порядка величины Таким образом, электрические параметры облученного материала полностью определяются электрическими свойствами мелких донорных центров радиационного происхождения, которые идентифицируются как вакансии в подрешетке азота, неподвижные до Т~ 500 К

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 V Kozlovski, V Abrosimova Radiation defect engineering World Scientific, 2005

2 G D Watkms Intrinsic point defects in semiconductors // Materials Science and Technology (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co/ KGaA) 2005 V 4/5 P 105-142

3 ТВ Машовец, В В Емцев, С Н Абдурахманова Модель процесса образования у-радиационных дефектов в германии, легированном примесями V группы // «Физика и техника полупроводников» 1974 Т8 В1 С 96-104

4 Зеегер К Физика полупроводников -М Мир, 1977

5 Блейкмор Дж Физика твердого тела - М Мир, 1988

6 L L Sivo and Е Е Klontz Studies of radiation damage in degenerate silicon irradiated at low temperatures Phys Rev 1969 V 178, P 1264-1273

7 V Ranki and К Saannen Formation of vacancy-impurity complexes in highly As- and P-doped Si Physica В 2003 V 340-342 P.765-768

8 V V Markevich, A R Peaker, V V Litvinov, V V Emtsev and LI Murin Electronic properties of antimony-vacancy complex mGe crystals J Appi Phys 2004 V 95

P 4078 -4083

9 P Bogusiawski, E L Briggs and J Bemholc Native defects in gallium nitride Phys Rev В 1995 V 51 P17225-17258

10 S Stampfi, С G Van de Walle, D Vogel.P KrugerandJ Pollmann Native defects and impurities in InN First-principles studies using the local-density approximation and self-mteraction and relaxation-corrected pseudopotentials Phys Rev В 2000 V 61 P R784 -R7849

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 V V Emtsev, V Yu Davydov, К V Emtsev, D S Poloskin, G A Oganesyan, V V Kozlovskn, E E Haller Shallow donor centers m gallium nitrides // Phys Stat Sol (c) 2003 V 0, No 2, P 601-604

2 V P Markevich, I D Hawkins, A R Peaker, К V Emtsev, V V Emtsev, V V Litvmov, L I Munn, L Dobaczewski Vacancy-donor atom pairs m Ge crystals doped with P, As, Sb, and Bi // Phys Rev В 2004 V 70, No 23, P 235213

3 В В Козловский, К В Емцев, В Ю Давыдов, В В Емцев, А А Клочихин, Г А Оганесян Образование дефектов в n-InN, подвергнутом облучению протонами и быстрыми электронами Тезисы докладов VII российской конференции по физике полупроводников, Москва (Звенигород), ФИАН им П Н Лебедева, 2005 С 290

4 V V. Kozlovskn, Е V Bogdanova, V V Emtsev, К V Emtsev, A A Lebedev Direct experimental comparison of the effects ol electron irradiation on the charge carrier removal rale in n-typc silicon and silicon carbide //Mater Sci Forum (Trans Tech Publications, Switzerland-Gerraany-UK-USA) 2005 V 483-485 P 385-388

5KB Емцев, В В Козловский, В В Емцев, В Ю Давыдов, Д С Полоскин, Г А Оганесян Легирование n-GaN радиационными дефектами // Труды XVI Международного совещания "Радиационная физика твердого тела' Севастополь 2006

6 KB Емцев, В В Козловский Легирование широкозонных полупроводников радиационными дефектами // Научно-технические ведомости СПбГТУ 2006 № 3 С 156161

7 V V Emtsev, Р Ehrhart, К V Emtsev, D S Poloskin, U Dedek Defect production in heavily doped n-Si irradiated with fast electrons at cryogenic temperatures //Physica В 2006 V 376-377 P 173-176

8 В В Козловский, В В Емцев, К В Емцев, В Ю Давыдов, Г А Оганесян Радиационное дефектообразование в нитриде индия под действием заряженных частиц Тезисы докладов XXXVI Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами Москва 2006 Изд МГУ С 144

9 V V Emtsev, Р Ehrhart, D S Poloskin, К V Emtsev Comparative studies of defect production in heavily doped silicon under fast electron irradiation at different temperatures // J Mater Sci Mater Electron 2007 V 18 P 711-714

10 KB Емцев, В В Козловский, В В Емцев,В Ю Давыдов, Г А Оганесян, Д С Полоскин Особенности процессов вторичного радиационного дефектообразования в полупроводниковых материалах IV группы и нитридах III группы, легированных мелкими

примесями Тезисы докладов XXXVII Международной конференции по физике взаимодеиствия заряженных частиц с кристаллами Москва 2007 Изд МГУ С 115

Лицензия ЛР №020593 от 07 08 97

Подписано в печать 05 07 2007 Формат 60x84/16 Печать цифровая Уел печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 1759Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29 Тел 550-40-14 Тел/факс 297-57-76

Введение.

Глава 1 Собственные точечные дефекты и их комплексы с мелкими легирующими примесями в полупроводниковых материалах (обзор).

§1.1 Образование точечных дефектов в полупроводниковых кристаллах при упругом смещении регулярных атомов под действием быстрых электронов и гамма-лучей.

Пороговая энергия упругого смещения атомов кристаллической решетки.

§ 1.2 Пары Френкеля как первичные радиационные дефекты. Аннигиляция и разделение пар Френкеля при облучении и отжиге. Вакансии и собственные междоузельные атомы. а) Собственный междоузельный атом. б) Вакансия.

§ 1.3 Экспериментальное и теоретическое изучение комплексов собственных точечных дефектов с мелкими примесями в полупроводниках 1Угруппы и нитридах III группы. а) Комплекс «вакансия-примесный атом IIIгруппы». б) Комплекс «вакансия-изовалентный примесный атом IVгруппы». в) Комплекс «вакансия-примесный атом Vгруппы». г) Примесные междоузельные атомы и комплексы с их участием.

Актуальность темы

Облучение кристаллических твердых тел ядерными частицами, энергия которых достаточна для упругого смещения регулярных атомов из узлов решетки, представляет собой самый распространенный и контролируемый способ образования дефектов структуры и изменения их концентрации. Практическое значение таких работ очевидно. На основе полученной информации совершенствуются технологические процессы изготовления радиационно-устойчивых материалов и разрабатываются технологические приемы целенаправленного изменения их электрических и оптических свойств за счет введения дефектов радиационного происхождения при строго дозированном облучении. Научный аспект радиационных исследований кристаллических твердых тел заключается в более глубоком понимании природы и сущности фундаментальных процессов в реальных кристаллах.

Среди исследованных полупроводниковых материалов указанные вопросы удалось в основном разрешить только для кремния, для которого детальные исследования структуры радиационных дефектов с помощью электронного парамагнитного резонанса, были дополнены данными электрических, оптических, фотоэлектрических и других измерений. Однако до сих пор радиационные эксперименты проводились в основном на слабо и умеренно легированном кремнии с концентрацией носителей заряда до 1017 см"3. Природа и поведение точечных дефектов в сильно легированных материалах мало изучены, хотя в настоящее время интерес к этой проблеме резко возрос в связи с новыми потребностями производства полупроводниковых приборов.

К сожалению, несмотря на большой объем выполненных работ, вопрос о механизмах образования, энергетических спектрах и природе дефектов в германии остается во многих отношениях открытыми, а моделирование радиационных процессов обычно проводится на основе представлений об идентифицированных в кремнии точечных дефектов. Поэтому актуальным является вопрос об исследовании радиационных дефектов в германии, исходя из вновь возникшего интереса электронной промышленности к этому полупроводнику и его сплавов с кремнием. Как и следовало ожидать, главное внимание исследователей привлечено к взаимодействию собственных дефектов с мелкими примесными центрами III и V групп, \ поскольку последние являются основными легирующими примесями в кремнии и германии.

В последние годы огромный всплеск интереса к исследованию прямозонных нитридов III группы, таким как нитрид галлия и нитрид индия, обусловлен их перспективным использованием в оптоэлектронике. Однако анализ имеющейся литературы показывает, что информация о свойствах собственных точечных дефектов в этих материалах скудна и противоречива, а радиационные эксперименты на этих материалах крайне малочисленны. Поэтому накопление экспериментальных данных, относящихся к свойствам точечных дефектов в нитридах III группы и составляющих основу для технологического использования радиационных дефектов с мелкими легирующими примесями, представляется крайне актуальным.

Целью данной работы являлось изучение процессов образования и отжига радиационных дефектов главным образом в сильно легированных полупроводниковых материалах IV группы и нитридах III группы с мелкими легирующими примесями.

Задачи работы:

- провести сравнительное изучение скорости образования первичных и вторичных радиационных дефектов в сильно легированном кремнии п- и /?-типа при облучении быстрыми электронами при двух температурах Т= 4,2 К и 300 К, а также сопоставить сечения образования электрически активных дефектов с расчетным сечением образования первичных радиационных дефектов (пар Френкеля);

- провести сравнительное исследование высокотемпературных процессов отжига радиационных дефектов в сильно легированном кремнии «-типа с различными мелкими примесями V группы;

- провести сравнительное изучение процессов образования радиационных дефектов в германии с различными мелкими примесями V группы под действием гамма-облучения 60Со;

- использовать облучение нитрида галлия и нитрида индия ядерными частицами для получения первичной информации о свойствах образующихся радиационных дефектов.

Научная новизна

1. Установлено, что использование данных по изменению удельной электропроводности для определения абсолютных изменений концентрации носителей заряда в вырожденном кремнии при облучении быстрыми электронами и в процессе отжига сильно искажает последние, так как основное предположение о неизменности подвижности носителей заряда при относительно малом изменении электропроводности облученных вырожденных материалов (даже в пределах нескольких процентов) оказывается неверным. В действительности, ошибка может достигать 50%. В случае вырожденных материалов необходимы прямые электрические измерения концентрации электронов и дырок методом эффекта Холла.

2. Определены сечения образования электрически активных дефектов в вырожденном кремнии п- и р-типа, облученных быстрыми электронами с энергией 2,5 МэВ при Т= 4,2 К и

300 К. Сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными сечениями образования первичных дефектов (пар Френкеля) позволило пересмотреть существующие модельные представления об электрической активности пар Френкеля в кремнии.

3. Выявлены особенности отжига радиационных дефектов в сильно легированном кремнии «-типа с мелкими примесями V группы по сравнению с процессами отжига радиационных дефектов в материалах с низким уровнем легирования, в которых доминирующими дефектами являются ^-центры (акцепторный комплекс «вакансия -примесный атом V группы»). Эти особенности указывают на формирование в сильно легированном материале комплексов, включающих в свой состав вакансию и несколько примесных атомов.

4. Детальное исследование процессов образования и отжига дефектов в германии п-типа с мелкими примесями V группы, подвергнутом гамма-облучению 60Со и последующему изохронному отжигу, позволило определить свойства акцепторных центров радиационного происхождения, содержащих примесные атомы V группы. По своим свойствам указанные дефекты идентифицированы как комплексы «вакансия - примесный атом V группы», атомная структура которых аналогична ^-центрам в кремнии.

5. Показано, что электрические параметры нитрида галлия и-типа с мелкой примесью кремния при радиационном воздействии изменяются за счет образования глубоких акцепторов, которые сопоставляются вакансиям в подрешетке галлия. Однако этот процесс компенсации электронной проводимости в облученном л-GaN при комнатной температуре в значительной мере смягчается одновременным образованием неглубоких доноров радиационного происхождения ~ Ее - 70 мэВ. Последние отнесены к вакансиям в подрешетке азота. Установлено также, что мелкая примесь кремния в л-GaN не взаимодействует с собственными точечными дефектами, и ее концентрация остается неизменной при облучении и отжиге нитрида галлия.

6. Установлено, что облучение пленок вырожденного нитрида индия и-типа протонами с энергией 150 кэВ приводит к интенсивному образованию радиационных дефектов с мелкими донорными состояниями, в результате чего концентрация носителей заряда в облученном n-InN может превысить исходную концентрацию на порядок величины и более. Кинетика образования указанных дефектов, их электрические свойства, а также процесс отжига позволяют отнести эти дефекты к вакансиям в подрешетке азота, стабильными при комнатной температуре.

Практическая значимость

Результаты диссертационной работы по точечным радиационным дефектам в кремнии и германии вносят существенный вклад в современные представления о природе и свойствах первичных и вторичных радиационных дефектов в ковалентных полупроводниках IV группы, в частности в проблему образования комплексов с мелкими легирующими примесями. Выявленные особенности комплексов с несколькими примесными атомами, образующихся в сильно легированном кремнии, в частности их высокая термическая устойчивость, должны учитываться при выращивании таких кристаллов. Новые данные о точечных дефектах в нитриде галлия и индия позволяют по-новому взглянуть на проблемы использования радиационных дефектов в указанных материалах и их твердых растворах и могут быть практически применены при «холодном легировании» дефектами радиационного происхождения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях:

- International conference on shallow level centers in semiconductors, Warsaw, Poland, 2002.

- 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, Bologna, Italy, 2004.

- 23rd International conference on defects in semiconductors, Japan, 2005.

- XXXVI Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 2006 г.

- XVI Международное совещание "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, 2006 г.

- Workshop on defects relevant to engineering advanced silicon-based devices, Crete, Greece, 2006.

- Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Нижний Новгород, 2006 г.

- XXXVII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2007.

Материалы диссертации проходили регулярную апробацию на семинарах СПбГПУ.

Публикации

По материалам диссертации автором опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Список литературы содержит 95 наименований. Отдельно приведен список публикаций автора по теме диссертации из 10 наименований. Объем диссертации составляет 123 страницы, в том числе 40 рисунков и 5 таблиц.

Заключение

В настоящей работе был проведен цикл экспериментальных исследований радиационных дефектов в различных полупроводниковых материалах, широко используемых в настоящее время при производстве электронных приборов; среди них ковалентные полупроводники IV группы (кремний и германий) и нитриды III группы (нитрид галлия и нитрид индия). При этом основное внимание было уделено квазихимическим реакциям между собственными точечными дефектами и легирующими примесями, которые, как правило, представлены мелкими примесными центрами. Исследованные полупроводниковые материалы позволяют показать различные типы поведения мелких донорных примесей во взаимодействии с собственными точечными дефектами при облучении: эффективное взаимодействие и образование комплексов акцепторного типа (одновременно с потерей мелких донорных состояний легирующей примеси) в кремнии и германии, отсутствие какого-либо взаимодействия (при наличии простой компенсации мелких донорных состояний легирующей примеси глубокими акцепторами радиационного происхождения) в нитриде галлия и эффективное «легирование» мелкими донорными центрами за счет образования собственных точечных дефектов в нитриде индия, при котором концентрация таких радиационных дефектов может намного превысить исходную концентрацию доноров. Ниже кратко сформулированы основные научные результаты работы.

1. Результаты, полученные при исследовании процессов образования первичных и вторичных радиационных дефектов в сильно легированном и вырожденном кремнии, подвергнутом облучению быстрыми электронами с энергией 2,5 МэВ при двух температурах - Г ~ 4 К и Г ~ 300 К, привели к пересмотру существующих представлений о парах Френкеля. Совместный анализ полученных результатов с известными данными по удалению носителей заряда в аналогичном материале при электронном облучении с более низкой энергией, а также с данными по диффузному рассеянию рентгеновских лучей радиационными дефектами позволили сделать вывод о том, что пары Френкеля как первичные дефекты электрически нейтральны в материале «-типа. Их разделение на компоненты происходит в температурном интервале Т=80 - 100 К. Напротив, в материале р-типа первичные дефекты положительно заряжены. Их разделение на компоненты не имеет резко выраженной стадии вследствие высокой подвижности собственных междоузельных атомов при криогенных температурах. Сопоставление наблюдаемой скорости генерации первичных дефектов в сильно легированном кремнии с расчетной скоростью генерации пар Френкеля в рамках простой модели упругого смещения регулярных атомов при рассеянии быстрых электронов дает возможность оценить пороговую энергию смещения между 20 эВ и

30 эВ. Изучение процессов высокотемпературного отжига точечных дефектов в сильно легированном облученном кремнии «-типа указало на эффективность взаимодействия диффундирующих ^-центров с мелкой донорной примесью V группы и формирование термически более устойчивых вакансионных комплексов с двумя примесными атомами.

2. Детальное изучение процессов взаимодействия собственных точечных дефектов с мелкими примесями V группы в гамма-облученном «-Ge позволило идентифицировать вакансионные комплексы с участием этих примесных атомов и проследить закономерности в изменении их свойств в зависимости от химической природы мелкой донорной примеси.

3. Установлено, что при облучении «-GaN быстрыми электронами с энергией 900 кэВ, а также в процессе отжига до Г=700 К примесные атомы кремния не взаимодействуют с собственными точечными дефектами. Все наблюдаемые изменения электрических параметров материала при таком радиационном воздействии связаны в основном с поведением и свойствами вакансий в подрешетках азота и галлия.

4. Радиационные эксперименты на вырожденных образцах нитрида индия «-типа (с исходной концентрацией электронов в диапазоне от 1018 см"3 до Ю20 см"3), облученных протонами с энергией 150 кэВ, показали, что при облучении образуются дефекты с мелкими донорными состояниями, концентрация которых линейно растет с дозой облучения во всем диапазоне доз от 1014 см'2 до 1016 см"2. Установлено, что концентрация этих радиационных дефектов с мелкими донорными состояниями в относительно чистых образцах «-InN может быть увеличена на два - три порядка величины. Таким образом, электрические параметры облученного материала полностью определяются электрическими свойствами мелких донорных центров радиационного происхождения, которые идентифицируются как вакансии в подрешетке азота, неподвижные до Т~ 500 К.

Публикации автора

1. V.V. Emtsev, V.Yu. Davydov, K.V. Emtsev, D.S. Poloskin, G.A. Oganesyan, V.V. Kozlovskii, E.E. Haller. Shallow donor centers in gallium nitrides. // Phys. Stat. Sol. (c). 2003. V. 0, No 2, P. 601-604.

2. V.P. Markevich, I.D. Hawkins, A.R. Peaker, K.V. Emtsev, V.V. Emtsev, V.V. Litvinov, L.I. Murin, L. Dobaczewski. Vacancy-donor atom pairs in Ge crystals doped with P, As, Sb, and Bi. // Phys. Rev. B. 2004. V. 70, No. 23, P. 235213.

3. B.B. Козловский, K.B. Емцев, В.Ю. Давыдов, B.B. Емцев, А.А. Клочихин, Г.А. Оганесян. Образование дефектов в n-InN, подвергнутом облучению протонами и быстрыми электронами. Тезисы докладов VII российской конференции по физике полупроводников, Москва (Звенигород), ФИАН им. П.Н. Лебедева, 2005. С. 290.

4. V.V. Kozlovskii, E.V. Bogdanova, V.V. Emtsev, K.V. Emtsev, A.A. Lebedev. Direct experimental comparison of the effects of electron irradiation on the charge carrier removal rate in n-type silicon and silicon carbide. //Mater. Sci. Forum.(Trans Tech Publications, Switzerland-Germany-UK-USA). 2005. V.483-485. P.385-388.

5. K.B. Емцев, B.B. Козловский, B.B. Емцев, В.Ю. Давыдов, Д.С. Полоскин, Г.А. Оганесян. Легирование n-GaN радиационными дефектами. // Труды XVI Международного совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь. 2006.

6. К.В. Емцев, В.В. Козловский. Легирование широкозонных полупроводников радиационными дефектами. // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2006. № 3. С. 156161.

7. V.V. Emtsev, P. Ehrhart, K.V. Emtsev, D.S. Poloskin, U. Dedek. Defect production in heavily doped n-Si irradiated with fast electrons at cryogenic temperatures. //Physica B. 2006. V. 376-377. P. 173-176.

8. B.B. Козловский, B.B. Емцев, K.B. Емцев, В.Ю. Давыдов, Г.А. Оганесян. Радиационное дефектообразование в нитриде индия под действием заряженных частиц. Тезисы докладов XXXVI Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва. 2006. Изд. МГУ. С. 144.

9. V.V. Emtsev, P. Ehrhart, D.S. Poloskin, K.V. Emtsev. Comparative studies of defect production in heavily doped silicon under fast electron irradiation at different temperatures.// J. Mater Sci: Mater Electron. 2007. V.18. P. 711-714.

10. K.B. Емцев, B.B. Козловский, B.B. Емцев, В. Ю. Давыдов, Г.А. Оганесян, Д.С. Полоскин. Особенности процессов вторичного радиационного дефектообразования в полупроводниковых материалах IV группы и нитридах III группы, легированных мелкими примесями. Тезисы докладов XXXVII Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва. 2007. Изд. МГУ. С. 115.

Благодарность

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук проф. В.В. Козловскому за предложенную тему диссертационной работы, а также за постоянное внимание во время выполнения всех экспериментов и подготовки диссертации к защите.

Особую благодарность автор хотел бы выразить зав. кафедрой экспериментальной физики доктору физ.-мат наук проф. В.К. Иванову за предоставленную возможность работы на кафедре в период аспирантуры, а также сотрудникам кафедры за доброжелательное отношение и помощь в работе.

Автор благодарен научным сотрудникам и техническому персоналу Лаборатории неравновесных процессов в полупроводниках Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, НИИ ядерной физики СПб ГПУ, исследовательской группы и профессору А.Р. Пикеру в Университете г. Манчестера (Англия) и сотрудникам группы д-ра П. Эрхарта (Ядерный исследовательский центр, Юлих, Германия) за помощь при выполнении радиационных экспериментов и проведении электрических измерений, а также за участие в обсуждении полученных результатов.

1. MacKinley W.A., Feshbach H. The Coulomb scattering of relativistic electrons by nuclei // Phys. Rev.- 1948 - v.74 - pp.1759-1763

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М., Наука, 1967

3. Стародубцев С.В., Романов A.M. Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Ташкент, ФАН УзССР,1964

4. Evans R.D. The atomic nucleus. New York, McGraw Hill,1955

5. Davisson C.M., Evans R.D. Gamma-ray absorption coefficients // Rev.Mod.Phys. 1952 -v.24-N24-pp.79-107

6. Абдуллаев А., Витовский H.A., Машовец T.B. О величине сечения процесса образования пары Френкеля в полупроводниках при облучении гамма-лучами // ФТП 1974 - т.8 - в.11 - сс.2206-2206

7. Галаванов В.В. Смещение атомов в твердом теле под действием гамма-лучей // ФТТ 1959-т. 1 - в.З - сс.432-441

8. Corbett J.W., Bourgoin J.C. Defect creation in semiconductors. In: Point Defects in Solids, eds by Crawford J.H., Jr. and Slifkin L.M. (Semiconductors and Molecular Crystals, vol. 2), New York, London, Plenum Press 1975 - pp. 1-161

9. Физические процессы в облученнх полупроводниках, под ред. Смирнова Л.С., Новосибирск, Наука, 1977

10. Точечные дефекты в твердых телах. Сб.статей, пер. с англ. М. Мир, 1979

11. Витовский Н.А., Мустафакулов Д., Чекмарева А.П. О величине пороговой энергии смещения атомов в полупроводниках// ФТП 1977 - т. 11- в.9 - сс. 1747-1753

12. Kohn W. Bombardment damage of Ge crystals by fast electrons // Phys. Rev.-1954 v.94 -N5 - pp.1409 (A)

13. Hemment P.Z.F., Stevens P.R.S. Study of the anisotropy of radiation damage rates in n-type silicon // J. Appl. Phys.-1969 v.40 - N12 - pp.4893-4901

14. Brown W.L., Augustiniak W.M. Energy, orientation and temperature dependence of defect formation in electron irradiation of n-type Ge // J. Appl. Phys.-1959-v.30-N8-pp. 1300-1309

15. Haddad I.N., Banbury P.C. Energy dependence of anisotropy of defect production in electron irradiated diamond-type crystals: I. Experimental measurements on n- and p-type silicon // Phil. Mag.-l966-v. 14-N130-pp.829-840

16. Lindsay D.J.C., Bunbury P.C. Electron irradiation damage studies in indium arsenide // Conf.Ser.N16. London and Bristol. The Institute of Physics-1973-pp.34-41

17. Eisen F.M., Bickel P.W. Electron damage threshols in InSb // Phys. Rev.-1959-v.l 15-N2-pp.345-346

18. Bauerlein R. Messung der Energie zur Verlagerung eines Gitteratoms durch Elektronenstoss in A3B5 Verbindungen // Zeitschr. for Phys.-1963-Bd.l76-H.4-S.498-509

19. Thommen K. Energy and orientation dependence of electron-irradiation-induced damage in undoped GaSb // Phys. Rev.-1959-v.l 15-N3-pp.938-945'

20. Emtsev V.V., Mashovets T.V., Mikhnovich V.V., Vitovskii N.A. Frenkel pairs in silicon and germanium // Rad. Eff. and Rad. Def. in Solids-1989-vols 111-112-pp.99-l 18.

21. Влияние упругих напряжений, создаваемых компонентами пар Френкеля, на энергетический спектр дефектов в полупроводниках IV группы // ФТП-1989-т.23-в.1-СС.-184-185

22. Михнович В.В., Емцев В.В., Машовец Т.В., Витовский Н.А. Зависимость эффективности аннигиляции гомогенных пар Френкеля в кристаллах от интенсивности облучения // ФТТ-1989-т.31-в.З-сс.306-308

23. Емцев В.В., Машовец Т.В., Михнович В.В. Аннигиляция пар Френкеля в полупроводниках // ФТП-1993-т.27-в.4-сс.708-712

24. MacKay J.W., Klontz Е.Е. Low-temperature annealing studies in Ge // J. Appl. Phys.-1959-v.30-N8-pp. 1269-1274

25. MacKay J.W. Defect benavior-annealing and migration // In: "Action des rayonnements sur les composants a semiconducteurs", Toulouse, France, 1967 pp.A2-A15

26. Stein H.J., Vook F.L. Electrical studies of electron-irradiated n-type Si: Impurity and irradiation-temperature dependence // Phys. Rev.-1967 v. 163 - N3 - pp.790-800

27. Whan R.E. Investigation of oxygen-defect interaction between 25 and 700 К in irradiated germanium // Phys. Rev.-1965 v. 140 - N2A - pp.690-698

28. Wertheim G.K. Temperature dependent defect production in bombardment of semiconductors // Phys. Rev.-1959 v -115 - N3 - pp.568-569

29. Емцев В.В., Клингер П.М., Машовец Т.В., Миразизян К.М. Влияние условий электронного облучения на скорость образования А-центров в п-кремнии // ФТП-1990 т.24 - в.7- сс.1209-1212

30. Емцев В.В., Клингер П.М., Миразизян К.М. Зависимость скорости образования вторичных дефектов в p-Si от интенсивности электронного облучения // ФТП т.25 -в.З - сс.561-563

31. MacKay J.W., Klontz Е.Е. Effects of defect charge state on radiation damage in semiconductors // In: "Radiation effects in semiconductors", ed by Vook F.L., Plenum Press, New York, 1968 pp. 175-185

32. Meese J.M. Low-temperature recovery of irradiation defects in n-type germanium // Phys. Rev.-1974 v.9 - N10 - pp.4373-4391

33. Watkins G.D. EPR studies of the lattice vacancy and low-temperature damage processes in silicon, In: Lattice defects in semiconductors, Inst. Phys. Conf. Series No23, London and Bristol, 1974-pp. 1-22

34. Sivo L.L., Klontz E.E. Studies of radiation damage in degeneration silicon irradiated at low temperatures // Phys. Rev. 1969 - v. 178 - N3 - pp. 1264-1273

35. Bausch St., Zillgen H., Ehrhart P. Frenkel defects in low temperature e~ irradiated Ge and Si investigated by X-ray diffraction // Mater. Sci. Forum Vols - 1995 - vv.l96-201-pp.l 141-1146

36. Ehrhart P., Zillgen H. Vacancies and interstitial atoms in e~ irradiated germanium // Appl. Phys.- 1999-v.85 -N7 - pp.3503-3511

37. Емцев В.В., Машовец Т.В., Назарян Е.Х, Метастабильные пары Френкеля в кремнии //ФТП-1982 т.16 - в.4 - сс.687-691

38. Дабагян А.В., Емцев В.В. Отжиг метастабильных пар Френкеля, образующихся в германии n-типа при низкотемпературном гамма-облучении // ФТП 1988 - т.22 - в.4 - сс.747-750

39. Емцев В.В., Машовец Т.В., Полоскин Д.С. Проявление пар Френкеля в р-германии при низкотемпературном гамма облучении // ФТП 1991 - т.25 - в.2 - сс.191-196

40. Емцев В.В., Машовец Т.В., Михнович В.В. Пары Френкеля в германии и кремнии // ФТП 1992-т.26-в.1 -сс.22-44

41. Emtsev V.V. Point defects in germanium: Reliable and questionable data in radiation experiments // Mater. Sci. in Semicond. Proces. 2006 - v.9 - pp.580-588

42. Watkins G.D. Lattice defects in II-VI compounds // Inst.Phys.Conf.Ser. -1977 -N31 -pp.95-111

43. Watkins G.D., Rong F., Barry W.A., Donegan J.F. Optically detected magnetic resonance of zinc interstitials and Frenkel pairs in ZnSe // MRS 1987 Fall Meeting Symposia, Defects in Electronic Materials, MRS Proceedings- 1987 pp. 234-245

44. Watkins G.D. Intrinsic point defects in semiconductors In: "Materials science and technology" ed by Cahn R.W., Haasen P.,Kramer EJ. WILEY-VCH Verlag GmbH&Co Germany 2005 - v.4/5 - pp.105-141

45. Look D.C., Reynolds D.C., Hemsky J.W., Sizelove J.R., Jones R.L., Molnar R.J. Defect donor and acceptor in GaN // Phys.Rev.Lett. 1997 - v.79 - N12 -pp.2273-2276

46. Chow K.H., Watkins G.D. Detection of interstitial Ga in GaN // Phys. Rev. Lett. 2000 -v.85-N13-pp.27612764

47. Yamaguchi T. Electronic states of interstitial atoms indiamond //J. Phys. Soc. Jap. 1963 -v.18-N6-p.923

48. Kauffer E., Pecheur P., Gerl M. Calculation of the energy levels of a neutral vacancy and of interstitials in silicon // J.Phys.C: Sol.St.Phys. -1976 v.9.- N12 -pp.2319-2330

49. Singhal S.P. Isolated interstitials in silicon // Phys. Rev. B 1971 - v.4 - N8 - pp.24972504

50. Watkins G.D., Messmer R.P., Weigel C., Peak D.V., Corbett J.W. Properties of the interstitial in the diamond-type lattice // Phys. Rev. Letts. 1971 - v.27 - N23 - pp.15731575

51. Mainwood A., Larkins F.P., Stoneham A.M. The structure and motion of the self-interstitial in diamond //Sol. St. Comm.- 1978-v.21 -N11/12-pp.1431-1433

52. Neugebauer J., Chris G. Van de Walle Atomic geometry and electronic structure of native defects in GaN // Phys. Rev.B 1994 - v.50 - N11 -pp.8067-8070

53. Boguslawski P., Briggs E.L., Bernholc J. Native defects in gallium nitride // Phys.Rev.B -1995-V.51 -N23 pp.17255-17258

54. Chris G Van de Walle, Neugebauer J. First-principles calculations for defects and impurities: Applications to Ill-nitrides // J. Appl. Phys. 2004 - v.95 - N8 - pp.3851-3879

55. Watkins G.D. Lattice vacancies and interstitials in silicon // Chinese J. Phys. 1977 - v. 15 - N2 - pp.92-101

56. Baraff G.A., Kane E.O., Schliiter M. Theory of the silicon vacancy: An Anderson negative-U system // Phys. Rev.В -1980 v.21 - N12 - pp.5662-5686

57. Masters B.J. Semi vacancy pair in crystalline silicon // Sol. St. Comm. 1971 - v. 9 -N4 -pp.283-285

58. Coutinho J., Jones R., Torres V.L.B., Barroso M., Oberg S., Briddon P.R. Electronic structure fnd Jahn-Teller instabilities in a single vacancy in Ge // J.Phys.:Condens.Matter -2005 v.17 - pp.521-527

59. Meyer B.K., Stadier W. Native defect indentification in II-VI materials // J.of Crystal Growth -1996 v.161 - pp.119-127

60. Емцев B.B., Машовец T.B. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках, под ред. Рывкина С.М., М., Радио и связь, 1981

61. Murin L.I., Lindstrom J.L., Svensson B.G., Markevich V.P., Peaker A.R., Londos C.A. Metastable VO2 complexes in silicon: experimental and theoretical modeling studies // Solid State Phenomena 2005 - v.v.108-109 - pp.223-228

62. Watkins G.D. EPR of a trapped vacancy in boron-doped silicon // Phys. Rev. В 1976 -v. 13 -N6 -pp2511-2517

63. Watkins G.D. Defects in irradiated silicon: Electron paramagnetic resonance and electron-nuclear-double-resonance of the aluminium -vacancy pair // Phys. Rev. 1967 - v.155 -N5 - pp.802-815

64. Васильева Е.Д., Емцев В.В., Машовец T.B. Взаимодействие галлия с собственными дефектами в германии при гамма-облучении // ФТП 1983 - т. 17 - в.1 - сс.35-39

65. Watkins G.D. A microscopic view of radiation damage in semiconductors using EPR as a probe // IEEE Trans. 1969 - v.NS-16 - N6 - pp. 13-18

66. Gotz W., Johnson N.M., Chen C., Liu H., Kuo C., Imler W. Activation energies of Si donors in GaN // Appl.Phys.Lett -1996 v.68 - N22 - pp.3144-3146

67. Look D.C., Molnar R.J. Degenerate layer at GaN/sapphire interface: Influence on Hall-effect measurements // Appl.Phys.Lett -1997 v.70 - N25 - pp.3377-3379

68. Look D.C., Sizelove J.R., Saarinen Electrical, optical, structural, and analytical properties of very pure GaN // Mat.Res.Symp.Proc. 2003 - v.743 - pp.Ll 0.1.1 -LI 0.1.18

69. Chadi D.J. Atomic origin of deep levels in p-type GaN: Theory // Appl.Phys.Lett -1997 -v.71 N20 - pp.2970-2971

70. Elkin E.L., Watkins G.D. Defects in irradiated silicon: electron paramgnetic resonance and electron-nuclear double resonance of the arsenic- and antimony-vacancy pair // Phys. Rev.- 1968 -v.174 -N3 pp.881-897

71. Kimerling L.C., De Angelis H.M., Diebold J.M. On the role of defect charge state in the stability of point defects in silicon // Sol. St. Comm. 1975 - v.16 -N1 - pp. 171-174

72. Evwaraye A.O. Electron-irradiation damage in anitimony-doped silicon // J. Appl.Phys. -1977-v.48 N5 - pp. 1840-1843

73. Saarinen K., Nissila J., Kauppinen H., Hakala M., Puska M.J., Hautojarvi P., Corbel C. Identification of vacancy-impurity complexes in highly n-type Si // Phys.Rev.Lett. 1999- v.82 N9 - pp.1883-1886

74. Ranki V., Saarinen K. Formation of vacancy-impurity complexes in highly As- and P-doped Si // Physica B 2003 - vv.340-342 - pp.765-768

75. Markevich V.P., Peaker A.R., Litvinov V.V., Emtsev V.V., Murin L.I. Electronic properties of antimony-vacancy complex in Ge crystals // J. Appl. Phys. 2004 - v.95 - N8 -pp.4078-4083

76. Watkins J.D. EPR studies of the lattice vacancy and low-temperature damage processes in silicon. In: Lattice defects in semiconductors, 1974, Conf. Ser. N23, London and Bristol, The Institute of Physics, 1975-pp. 1-22

77. Watkins J.D., Troxell J.R. Negative U-properties for point defects in silicon // Phys. Rev. Letts. 1980 - v.44 - N9 - pp.593-595

78. Watkins J.D. A microscopic view of radiation damage in semiconductors using EPR as a probe // IEEE Trans 1969 - v.NS-16 -N6 - pp. 13-18

79. Watkins J.D. A review of EPR studies in irradiated silicon. In: Effects des Rayonnements sur les Semiconductors, Paris, Dunod, 1964, pp.97-111

80. Kimmerling L.C. Defects states in electron-bombarded silicon: capacitance transient analyses. In: Radiation effects in semiconductors, 1976, Conf. Ser. N31, Bristol and London: The Institute of Physics, 1977, pp.221-230

81. Watkins J.D., Brower K.L. EPR observation of the isolated interstitial carbon atom in silicon // Phys. Rev. Letts. 1976 - v.36 - N22 - pp. 1329-1332

82. Stein H.J. Defects in silicon: concepts and correlations. In: Radiation effects in semiconductors. London, New York, Paris: Gordon and Breach Science Publishers, 1971, pp.125-139

83. Corbett J.W., Watkins J.D., Chrenko R.M., McDonald R.S. Defects in irradiated silicon. II Infrared absorption oftheSi-A center //Phys. Rev. 1961 - v. 121 -N4 - pp. 1015-1022

84. Markevich V.P., Hawkins I.D., Peaker A.R., Litvinov V.V., Murin L.I., Dobaczewski L., Lindstrom J.L. Electronic properties of vacancy-oxygen complex in Ge crystals // Appl.Phys.Letts. 2002 - v.81 - N10 - pp. 1821 -1823

85. Hemmerich J., Sassin W., Schilling W. Anlage zur Bestrahlung mit Electronen bei tiefen Temperaturen // Z. für Angewandte Phys.- 1970 Bd 29 - Nol - S.l-6

86. Кучис E.B. Методы исследования эффекта Холла, M.', Советское Радио, 1974, стр. 328

87. Dobaczewski L., Peaker A.R., Bonde Nielsen К. Laplace-transform deep-level spectroscopy. The technique and its applications to the study of point defects in semiconductors // J. Appl. Phys. v.96 - N9 - pp.4689-4728

88. Blakemore J.S. Semiconductor Statistics, Oxford: Pergamon, 1962

89. Monakhov E.V., Kuznetsov A.Yu., Svensson B.G. Vacancy-related deep levels in n-type Sii.xGex strained layers // Phys. Rev. В 2001 - v.63 - pp.2453221-2453227

90. Davydov D.V., Emtsev V.V., Lebedev A.A., Lundin W.V., Poloskin D.S., Shmidt N.M., Usikov A.S., Zavarin E.E. Electron traps in undoped GaN layers subjected to gammairradiation and annealing // Mater. Sei. Forum 2001 - vols. 353-356 - pp.799-802