Позитронная диагностика радиационных дефектов в карбиде кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДИЙ ТРУДОВОГО красного знамени • ' .. ' -... КНШШШО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ГИРКА Александр Иванович

УДК 539.124:621.315.592

П03ИТР0ННАЯ ДИАГНОСТИКА РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В КАРБИДЕ КРЕМНИЯ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени ^ кандидата физико-математических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамэни инженерно-физическом институте..

Научннй рукойодитель - кандидат физико-математических наук

. Шишкин' А.В.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук

Бастров Л.Н. - доктор физико-математических наук Шантарович В.П.

Ведущая организация - Институт металлофизики АН УССР.

Защита диссертации состоится " //" ¡¿^оиЗ, 1990 р, в час. ¡Р-Оут. на заседании.специализированного совета К-053.03.02 в Московской инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, тел.324-84-93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан "Л0п 1990 г.

Ученый секретарь специализированного сове

Л Л$15% Подписано к печати 14.63.90- Заказ ¿Ой Тираж 100. Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31.

! Г

. ;;..............ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

; 5 Актуальность темы. Карбид.кремния (SIC) находит все более широкое применение в качества твердотельной основы для создания целого ряда электронных приборов. Сочетание весьма благоприятных физико-химических, и электрофизических свойств карбида кремния позволяет изготовлять на его основе радиационно- и термостойкие приборы микро- и оптоэлектроники. Многие из практически важных свойств SIC в значительной степени определяются наличием микродефектов - вакансий и примесных атомов. Особой интерес представляют исследования радиационных дефектов. Однако, природа вводимых при облучении структурных дефектов до сих пор не выяснена. Это связано с большим разнообразием возможных типов дефектов в даухкомпонентных полупроводниках, к которым относится карбид кремния. Для решения данной проблемы принципиальную роль может сыграть применение новых методов, позволяющих проводить селективную идентификации структурных дефектов. В данной работе использован метод аннигиляции позитронов, который обладает высокой чувствительностью к вакансиям и их комплексам с примесными атомами, а также к вакансионным кластерам.

Целью настоящей работы является установление природы структурных дефоктов,образующихся в карбиде кремния при облучении его частицами высоких энергий, и их эволюции в процессе термического отжига облученных кристаллов методом аннигиляции позитронов.

Научная новизна работы. Впервые определено распределение дефектов по глубине в монокристаллическом кремнии, подвергнутом воздействию ионов ксенона с энергией МпВ/нуклон; идентифицированы вакансионше дефекты,образующиеся в карбиде кремния в результате облучения быстрыми электронами, реакторными нейтронами, тяжелыми ионами ксенона; впервые исследована эволюция радиационных дефектов в карбиде кремния, облученном до различных флюенсов электронов, нейтронов и тяжелых ионов; впервые экспериментально доказано, что процесс образования вакансионных кластеров при термическом отжиге облученных кристаллов карбида кремния определяющим образом зависит от вида и концентрации примесных атомов.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что экспериментальные данные о природе радиационных дефектов, образующихся в карбиде кремния при облучении различными ви-

дами ионизирующего излучения, необходимы при создании на базе карбида кремния радиационно и термостойких электронных приборов; экспериментальные результаты о влиянии атомов примесного азота на кластерообразование существенны при выборе технологических режимов изготовления светодиодов на основе карбида кремния; на основании полученных экспериментальных данных предложен способ изготовления светодиодов путем облучения SIC быстрыми электронами; экспериментальные исследования показали перспективность применения метода аннигиляции позитронов для диагностики фазовых превращений в системах матрица-прммесь-вакансионные дефекты, характеризующихся малым параметром порядка, когда практически невозможно использование таких методов как электронная микроскопия и рентгеновская спектроскопия. ■■

Материалы работы используются в ФТИ АН СССР и ИЯИ АН УССР.

Автор защищает:

1. Результаты идентификации вакансионных дефектов, возникающих в карбиде кремния при облучении быстрыми электронами, реакторными . нейтронами и ионами ксенона.

2. Данные об эволюции радиационных дефектов в процессе термического отжига кристаллов карбида кремния, облученных различными дозами электронов, нейтронов и ионов ксенона.

3. Доказательство определяющего влияния атомов, примесного азота на осуществление процессов кластерообразования при термическом отжиге облученных кристаллов карбида кремния.

4. Новые экспериментальные результаты исследования радиационных дефектов, образующихся при облучении монокристаллического кремния ( модельного объекта ) ионами ксенона с энергией 124 МэВ.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на сессии ОЯФ АН СССР ( Москва, январь 1988 г. ), Восьмой Международной конференции по аннигиляции позитронов ( Гент, Бельгия, август 1988 г. ), постоянном семинаре "Примеси и дефекты в полупроводниковых материалах" (Ленинград, апрель 1989 г.), XIX Всесоюзном совещании по взаимодействию заряженных частиц с кристаллами ( Москва, май 1989 г. ), V. отраслевой научно-технической конференции "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники" ( Черновцы, сентябрь 1989 г. ). семинаре "Аннигиляция позитронов в твердых телах". (Киев, сентябрь 1989г.), IV межотраслевом совещании-семинаре по проблемам создания полу-'

проводниковых приборов и интегральных схем; устойчивых к воздействию внешних факторов (Винница, октябрь 1989 г. ).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения» четырех глав, заключения и выводов и содержит 149 стр.. в том числе 22 рисунка, 5 таблиц, а также библиографию из 174 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, представлена научная проблема и сформулирована цель работы, кратко изложено ее содержание, а также основные положения, которые выносятся на защиту..

В литературном обзоре кратко рассмотрены особенности поведения позитрона в полупроводниковых кристаллах. Отмечается, что для полупроводников характерны различные зарядовые состояния вакансий, а увеличение времени жизни позитронов, локализованных в моновакансиях, по сравнению с квазисвободаыми составляет Ю+ЗОЖ, что несколько меньше, чем в случае металлов. Кроме того, обращается внимание на важность корректного определения величины времени жизни позитронов в совершенном кристалле ть, которая часто отличается от времени жизни, измеренного в исходном кристалле. .

" Анализ аннигаляционных исследований вакансиокных дефектов, образумимся в полупроводниковых кристаллах в результате облучения быстрыми, электронами, нейтронами и ионами, показывает, что они являются эффективными ловушками термализованных позитронов. Захват позитронов такими дефектами приводит к появлению в спектрах времени жизни позитронов долгоживущих компонент и, как следствие, к увеличению среднего времни жизни позитронов т. Рассмотрение экспериментальных работ позволяет считать, что при низкотемпературном электронном облучении аннигиляция позитронов протекает преимущественно в простейших дефектах, тогда как облучение при температурах, близких к комнатной, может приводить к локализации позитронов во вторичных дефектах, в состав которых часто входят примесные атомы. Отмечается,' что облучение полупроводниковых кристаллов дозами быстрых электронов *»1 • 10" см~* и более обусловливает захват практически всех позитронов в радиационные дефекты. Нейтронное воздействие приводит к значительно бо-

льшим изменениям времени жизни позитронов по сравнению с электронным облучением, что связано с локализацией позитронов в более крупных вакансионных дефектах, формирующих каскады смещений. Кривые изохронного отжига для нейтронно облученных кристаллов имеют достаточно сложный характер,™ часто присущи стадии "отри-дательного" отжига ( возрастание т с увеличением температуры отжига Та ), связанные с образованием вакансионных кластеров. Ионное облучение по характеру изменения аннигиляционных параметров близко к нейтронному воздействию, что связано с одинаковым (каскадным ) механизмом образования дефектов в обоих этих случаях.

Анализ экспериментальных работ показывает, что облучение карбида кремния высокоэнергетичными частицами приводит к достаточно сложному спектру радиационных дефектов, природа большинства из которых не установлена. При этом отсутствует надежная идентификация вакансионных дефектов, образуххцихся при облучении различными видами высокоэнергетичных частиц, а также детально не исследовались процессы их эволюции при термическом отжиге облученных различными дозами кристаллов.

Аппаратура, методика обработки экспериментальных данных, характеристики объектов исследований, условия проведения облучения и термического отжига. В данной работе измерения времени жизни позитронов проводились на спектрометре оыстро-быстрых совпадений с рабочим разрешением FWHM=360+380 пс. Активность источника "Na составляла «10 мкКюри. Вклад источника определялся из калибровочных экспериментов и учитывался при обработке спектров.

Обработка спектров времени жизни позитронов проводилась на ЭВМ PC/AT или ЕС-1045 по программе POSITRONFIT EXTENDED. В отдельных случаях удавалось провести компонентный анализ спектров. В остальных случаях определялось среднее время жизни позитронов х - момент первого порядка спектра.

Объектами исследований служили монокристаллы карбида кремния политипа 6Н, выращенные по методу Лели при температурах 2600 + 2700 "С. Образцы имели п- или р- тип проводимости за счет легирования азотом и алюминием или бором соответственно. Концентрация примесных атомов составляла 2-10" - 1 • 1020 см-3.

Радиационные дефекты вводились путем облучения различными высокоэнергеадчными частицами в широком диапазоне доз: быстрыми электронами с энергией Ев= 4 МэВ, реакторными нейтронами и тяке-

лат ионами ксенона 1М>Хе с энергией 124 МэВ.

Для изучения эволюции радиационных дефектов в данной работе были проведены эксперименты по изохронному отжк у облученных образцов на.воздухе ( диапазон температур 100 + 1000 °С ) или в атмосфере очищенного аргона ( 1050 + 2300 °С ).

Аннигиляция позитронов s исходных кристаллах карбида кремния. В работе были проведены измерения времени жизни позитронов в нескольких политипах SIC: 4Н, 6Н, 15R и ЗС. Все образцы имели n-тип проводимости за счет легирования азотом до концентрации ND-NA=(143) • Ю'° см~в. Оказалось, что в пределах экспериментальной ошибки значение времени жизни позитронов для всех исследованных политипов совпадает, а спектры хорошо описываются одной экспонентой с характерным временем гь= (157 t 3) пс. Дальнейшие исследования были проведены на монокристаллах SIC политипа 6Н, легированных азотом ( кристаллы п-типа ) и бором или алюминием ( кристаллы р-типа ) в широком диапазоне концентраций. Кроме того .были использованы кристаллы с повышенной концентрацией несте-хиометрических дефектов, синтезированные при «1600 °0. Результаты измерений показали, что увеличение концентрации примесного азота не приводит к заметным изменениям среднего времени жизни позитронов х. которое по своему значению совпадает с приведенным выше 157 пс. При больших концентрациях примесного алюминия и бора величина т немного возрастает, а в монокристаллическом карбиде кремния, выращенном при пониженных температурах, было получено наибольшее значение среднего времени жизни позитронов: х <* 167 пс. Таким образом, мокно считать, что во всех политипах кристаллов карбида кремния n-типа проводимости, выращенных по методу Лели при высоких температурах синтеза ( »2600+2700 °С), концентрация точечных вакансионных позитроночувствительных дефектов не превышает величины «(101в+10") см-э и аннигиляция позитронов протекает главным образом в бездефектной матрице кристалла с характерным временем жизни ть*157 пс. В кристаллах р-типа проводимости или в кристаллах, выращенных при низких температурах роста ( "1600 °С), имеет место повышенная концентрация позитроночувствительных дефектов ( более «1017 см~* ), что приводит к возрастанию среднего времени жизни позитронов.

Идентификация вакансионных дефектов. образующихся при облучении карбида кремния быстрыми электронами. На рис. 1 приведены

зависимости среднего времени жизни позитронов х от дозы Фв электронного облучения. Эти зависимости соответствуют кристаллам п-типа, легированным азотом до концентрации Ы0-ЫА«3-101всм"3. Из рисунка видно, что для достаточно широкого диапазона температур облучения Т1г (50, 100, 400 и 600 °С) экспериментальные значения а образуют две зависимости: верхняя - для сравнительно низких температур облучения (Т.г=50 и 100 вС) и нижняя кривая для относительно высоких температур (Т1г=400 и 600 °С). Видно, что уровни насыщения для низкотемпературной ( т=198 ± 2 пс ) и высокотемпературной (х=187*2 пс) дозовых зависимостей различны,но достигаются при одинаковой дозе электронного облучения Ф =1 • 10,8см"2.

(.) - Т.г= 50° С;

(о) - V=100° С;

(а) - Т^=400° С;

(о) - Т1Г=600а С.

Рис.1. Зависимости среднего времени жизни позитронов от дозы электронного облучения

На рис.2 представлены зависимости г от температуры изохронного отжига Та для кристаллов SIC, облученных дозой 1 • 10,в см"2 при температуре Tir= 50 °С. Видно, что при температурах отжига •Та^500 °С значение ä достигает величины, соответствующей уровню насыщения среднего времени жизни позитронов при высокотемпературном облучении. Это свидетельствует о том, что дефекты, остающиеся стабильными при температурах до 150 °С, полностью откигаются при 500 °С независимо от того, нагревается образец непосредственно в процессе облучения, либо после завершения низкотемпературного отжига. Кроме того, хорошо видно, что низкотемпературный отжиг протекает в две стадии.

Экспериментальные данные показывают, что электронное облучение SIC.n-типа проводимости при температурах, близких к комна-

е

Рис.2. Зависимости среднего времега жизни позитронов от температуря изохронного отжига электронно облученных кристаллов карбида кремния.

тной, приводит к образованию, по крайней мере, двух типов позит-роночувствительных дефектов вакансионной природа. Такими дефектами, по-видимому, являются метйстабильшэ генетически связанные пары Френкеля вакансия-собственный межузельный атом (V-I), а такжи комплексы вакансия-примесный атом. С увеличением температуры (V-I)-napu начинают рекомбинировать или диссоциировать, поэтому нижняя (высокотемпературная ) зависимость т на рис.1 отражает увеличение концентрации вакансиотю-примесных комплексов.' Поскольку эта зависимость х описывает накопление только одного типа дефектов, то уровень насыщения т в диапазоне доз Фв> 1 •10,в см"1 (нижняя кривая на рис.1) соответствует времени жизни позитронов, локализованных в вакансиях комплексов: tc<* 187 пс. Исходя из пролетного механизма, била рассчитана высокотемпературная зависимость х от величины относительной концентрации первично смещенных атомов { ПВА) с использованием сечения захвата позитронов а в вакансионно-примесные комплексы в качество подгоночного параметра. Наилучшее согласие расчетных и экспериментальных данных было получено при о=» 3-10"" см1.

В предположении кулоновского механизма взаимодействия между компонентами генетически связанных пар Френкеля были рассчитаны параметры, характеризующие их стабильность при температуре 50°С.

Они сравнивались с результатами измерений времени жизни позитронов для кристаллов, легированных азотом в диапазоне концентраций 1СГ+10го см~а и облученных дозой электронов 1 • 101а см~г. Такое сравнение показывает,что азот "гасит" рождающиеся в процессе облучения пары Френкеля и способствует образованию азот-вакансион-ннх комплексов, причем при концентрации азота »1020 см~3 устойчивое существование генетических (V-I)-nap невозможно при температура 50 °С. Это подтверждается экспериментальным значением \ в случае концентрации примесного азота "10го см-3, которое достигает времени жизни позитронов, захваченных в азот-вакансионше комплексы: ис<*187 пс ( см. рис.1 ).

Более детально проследить эволюцию метостабильиых пар Френкеля и вакансионно-примесных комплексов можно в экспериментах по изохронному отжигу облученных различными дозами и легированных в широком диапазоне концентраций монокристаллов карбида кремния. На рис.2 приведены наиболее типичные зависимости среднего времени жизни позитронов т от температуры То изохронного отжига. Видно, что кривые имеют сложный характер, который определяется как дозой облучения, так и примесным составом конкретного образца. При этом можно выделить несколько характерных стадий.

Низкотемпературные стадии наблюдались при отжиге облученных образцов SIC п- и р-типа и связаны с отжигом метастабильных генетически связанных пар Френкеля. С ростом температуры "близкие" пары рекомбинируют (и зтому процессу, по-видимому, соответствует первая низкотемпературная стадия), а "далекие" - диссоциируют на свободные вакансии V и межузельные а го?,и I (вторая низкотемпературная стадия). С увеличением содержания примеси обе стадии смещаются в область более низких температур и хуже разрешаются, а в случае концентрации <*10го см"9 атомов азота низкотемпературные стадии отсутствуют. Это согласуется с выводом о том, что при такой концентрации примесного азота генетические (V-D-пары не могут быть стабильными при температурах 50 °С и выше. Для образца р-типа, легированного бором до концентрации »5•101рсм"э, уровень среднего времени жизни позитронов, соответствующий предотжигово-му состоянию, несколько ниже, чем в кристалле n-типа и в результате низкотемпературного отжига величина Ч возвращается к своему исходному значению. Все это свидетельствует о том,что в кристаллах р-типа электронное облучение приводит к образованию .лишь-од-

ного типа дефектов, стабилыгах при комнатной температуре - генетических пар Френкеля, полностью отжигающихся при Та^250

Стадия "отрицательного" отжига наблюдается только в образцах n-типа проводимости с достаточно высоким уровнем легирования ( Nd-Na ^ 3-10" см~э ) и облученных сравнительно высокой дозой ( Фв > 1*10шсм"1 ) быстрых электронов. Наличие стадии "отрицательного" отжига связано с образованием в диапазоне ДТа=1000 + 1200 °С вакансионннх кластеров. Вакно подчеркнуть, что стадия "отрицательного" отлшга отсутствует в случае кристаллов р-типа. Это свидетельствует о принципиальной роли примесного азота в процессе кластеризации вакансионных дефектов. Об этом :':о говорят кривые изохронного отжига для облученных одинаковой дозой ( Фв= Ы0шсм"г ) образцов SIC n-тшта, легированных азотом до различных концентраций ( сравните кривые 1 и 2 на рис.2). На основании полученных данных можно предположить, что исходными структурами, необходимыми для процесса кластерообразования, служат комплексы вакансий с примесными элементами V группы ( в нашем случае - с атомами азота ). Существованием именно такого рода комплексов обусловлено значительное превышение значения т над исходным (соответствующим необлучегаюму кристаллу ) уровнем в электронно облученных образцах n-тигга после завершения низкотемпературных стадий отжига (как уже упоминалось, в кристаллах р-типа, легированных бором до No-tJA=5• 10*" см"а, такое превышение % отсутствует).

Для реализации процесса кластеризации необходима достаточна высокая.концентрация примесного азота ( сравните кривые 1 и 2 на рис.2 ). Кроме того, как следует из сравнения кривых 1 и 3 на рис.2, для осуществления этого процесса требуется, чтобы образец был облучен сравнительно высокой ( Ф^ 1 ■ 10'" см~г ) дозой электронов. Следовательно, существует некоторое критическое значение концентрации ззот-вакансиошшх комплексов, когда в процес-

се термического отжига ( диапазон ДТа=1000 + 1200 °0) становится возможной кластеризация вакансий, приводящая к увеличению среднего времени жизни позитронов на стадии "отрицательного" отжига. Поскольку концентрация комплексов, очевидно, не может превысить концентрацию примесного азота, то из сравнения кривых 1 и 2 на рис.2 можно получить интервал значений для критической концентрации азот-вакансионных комплексов, инициирующих кластеризацию вакансий: 2-1017 3-101всм"3. Эта оценка имеет смысл вер-

хнего предела и не противоречит расчетным значениям концентрации вакансий ( «4-10" см"'), образующихся в карбиде кремния при дозе электронного облучения Фв= 1-10" см"*.

Высокотемпературные стадии. В области температур Та£1300 °С температур имеют место одна, либо две стадии отжига структурных дефектов, что определяется дозой облучения, а также типом и концентрацией примесных атомов. Анализ показывает, что первая высокотемпературная стадия изменения i описывает, по-видимому, отжиг азот-вакансионных комплексов, не принявших участия в формировании вакансиогашх кластеров. Диссоциация самих вакансионных кластеров протекает при температурах отжига ДТа= 1700 + 1900 °С.

Приведенные выше результаты исследования дефектов и их поведения при термическом отжиге были использованы для разработки способа изготовления свегодиодов путем электронного облучения. Устранение генетических пар Френкеля способствует формированию люминесцентно активных центров, что приводит к увеличению эффек-; тивности люминесценции. Крот того, использование электронного облучения позволяет осуществить нагрев образца за счет торможения* пучка и тем самым упростить технологию изготовления светоди-одов. При этом можно создать практически однородный люминесцентно активный слой с заданной и легко варьируемой концентрацией центров излучательной рекомбинации.

Идентификация природы й изучение распределения дефектов по глубине в монокристаллах кремния. Для выяснения возможности применения метода аннигиляции позитронов при диагностике радиационных дефектов, образующихся при облучении тяжелыми ионами с энергией "1 МэВ/нуклон (т.е. когда глубина поврежденного слоя значительно меньше глубины '"чувствительного" слоя в позитронном методе ), в качестве модельных были использованы монокристаллы бездислокационного кремния. Выбор кремния обусловлен тем, что он на сегодня является наиболее изученным материалом и в литературе можно найти требуемые данные для температурных диапазонов отжига, энергий миграции радиационных дефектов и т.п., а также достаточно полные сведения об аннигиляциояных характеристиках. С.другой стороны, кремний - это структурный аналог карбида кремния. Облучение ионами ксенона с энергией "1 МэВ/нуклон ( условия облучения те же, что и.для SIC ) ; осуществлялось в диапазоне флюенсов 5'10'° - 6'1013 см"1. Для идентификации радиационных дефектов, а

также определения их распределения по глубине была изучена дозо-вая зависимость х, проведены эксперименты по изохронному отжигу и измерению i в зависимости от толщины снятого химическим травлением поврежденного слоя для образце, облученного флюенсом 6-10" см-1.

Анализ полученных результатов показал, что в облученных монокристаллах кремния аннигиляция позитронов идет в основном в дефектах вакансионного типа, наблюдавшихся ранее в нейтронно облученном кремнии и идентифицированных как дивакансии. Определено время жизни позитронов, локализованных в этих дефектах: id-{ 320 +15) пс. Температура отжига и энергия миграции составляют 450 "О и ( 1.1 ±.0.2 ) эВ соответственно. Определена толщина поврежденного слоя ( <»18 мкм ), в пределах которого распределение концентрации дефектов оказалось постоянным. Данные позитронных экспериментов хорошо укладываются в существующие модели дефектной структуры кремния и, следовательно, метод аннигиляции может быть использован при диагностике радиационных дефектов, образующихся при облучении ионами с анергией «1 МэВ/нуклон.

Идентификация вакансионннх дефектов в облученных роакторны-МЯ нейтронами й ионами ксенона кристаллах карбида кремния, Большой интерес представляет сравнение поведения радиационных дефектов, возникающих в исследуемом веществе при различных видах проникающего излучения. Так, облучение быстрыми электронами с энергией в несколько мегаэлектронвольт приводит к практически равномерному распределению смещенных атомов при сравнительно низкой их концентрации, в то время как под действием быстрых нейтронов и тяжелых ионов возникают локальные области с большой концентрацией смещенных атомов ( каскада смещений ).

Облучение монокристаллов карбида кремния реакторными нейтронами и ионами ксенона приводит к возрастанию среднего времени жизни позитронов, что свидетельствует об образовании позитро-ночувствительных дефектов вакансионной природы. Концентрация стабильных вакансионннх дефектов определяется числом ПВА, которое пропорционально флюенсу облучения высокоэнергетичными частицами. Коэффициенты пропорциональности для случаев нейтронного и ' ионного облучения могут быть рассчитаны. На основе таких расчетов были построены зависимости среднего времени жизни позитронов % от величины относительной концентрации (Р) ПВА. Данные зависи-

моста представлены на рис.3, причем для ионов ксенона значения т скорректированы на толщину поврежденного слоя, превышающего пробег позитронов. На этом же рисунке приведена для сравнения зависимость ä(F) для электронно облученных кристаллов SIC. Из рис.3 следует, что механизмы дефектообразования для нейтронов и ионов идентичны. С другой стороны, налицо сильное различив в характере изменения i для нейтронов или ионов и электронов.

Г

230 :2Ю /30 170 ISO

ПС

и

/ Л (•) - нейтронное облучение:

' 1 - расчет при йк=20 А,

'/ * * 1 - расчет при Як=30 А;

/у ф (о) - ионное воздействие;

Р (о) - электронное облучение

—,-,-,-м—,-,-

ю' /с7 /а* /о* /с"1 /о'1 (ог ф*

Рис.3. Зависимости среднего времени жизни позитронов от относительной концентрации Р первично выбитых атомов.

Расчет зависимости среднего времени жизни позитронов % от относительной концентрации ( F } ПВА при облучегаи нейтронами . и ионами (исходя из каскадной модели дефектообразования и диффузионного режима захвата позитронов ) с использованием радиуса каскада RK в качестве подгоночного параметра показал,что экспериментальные значения Ч для нойтронов на участке роста и насыщения «£ попядгшт в область между кривыми 1 и 2 ( см. рис.3), отвечающими знпчониям Rj^ соответствегаю 20 и 30 А. Это согласуется с имеющимися экспериментальными данными для других полупроводников. Относительно природы дефектов, формирующих области каскадов, можно высказать следующие предположения; Наблюдаемое время жизни позитронов та в области больших фипоенсов ( область насыщения т ) содержит информацию о типе вакансионных дефектов, формирующих каскада смещений. Величина отношения тУт 1.42 для SIC близка к

d о

аналогичной величине для давакансий в кремнии (1.46 ± 0.05), что свидетельствует об аннигиляции позитронов в дивакансиях, характеризующихся временем жизни захваченного позитрона г = id=( 225 ±3) пс. Локальная концентрация давакансий в областях каскадов

смещений составляет по нашим оценкам <*3>101!> см~3..

Как и в случае электронно облученных кристаллов, были проведены эксперименты по термическому откигу. Типичные зависимости среднего времени жизни позитронов от температуры Т^ изохронного отжига для нойтронно облученных кристаллов приведены на рис.4. пс ......

1 - Фп=3.10'° см"2,

Г1о-1*д=<1+3)-10,в см~ 2- МО,7$Ф 41 .101Осм~г,

N-К =(U3)-1010 см'

—3 .

3 - Ф =М02° см"г

N. -II =5 • 10

4

Ф =1.10го см'

»

-3 .

NO-NA=(U3).10'° CM" 5 - Фп=1 -Ю" CM~Z, W-N =(НЗ).10'а см"

MX)

/ООО *5bO Рооо Ta "С

Рис.4. Зависимости среднего времени жизни позитронов от температуры изохронного отжига кристаллов карбида кремния,облученных реакторными нейтронами.

Кизкотрктврптурныв стадии отсшга наблюдались в образцах, облученных до малых ( Фп<3-10,<5 см-2 ) флюенсов реакторных нейтронов, причем как по своим температурным диапазонам, так и по величине энергии активации они близки к аналогичным' стадиям для электронно облученных кристаллов SIC n-типа. Эксперименты на кристаллах, облучешшх до флюенса реакторных нейтронов Фп= 3-101<scm""z и содержащих различные концентрации примесного азота, показали, что зависимости т(Та, Nd-Na) качественно согласуются с соответствующими кривыми, полученными для электронно облученных кристаллов SIC n-типа. Следовательно, низкотемпературные стадии в облученных нейтронами кристаллах SIC n-типа соответствует эволюции метаст.йбильных генетически связанных пар Френкеля: на первой низкотемпературной стадии имеет место рекомбинация "близких" пар, а вторая отвечает-диссоциации компонентов "далеких" пар.

Как видно из рис.4, низкотемпературные стадии не проявляются на кривых отжига образцов, облученных большими флюенсами (Фп> 1'Ш,7см"г) реакторных нейтронов. При столь больших флюенсах об-

разуется достаточно высокая концентрация каскадов смещений, причем легко показать, что уже при Ф^.5.10'7 см"* среднее расстояние между каскадами не превышает длины диффузии термализованно-го позитрона, равной «1000 А. Поскольку при этом все позитроны захватываются каскадами, то отсутствие низкотемпературных стадий для образцов, облученных высокими флюенсами реакторных нейтронов, связано не с отсутствием френкелевских пар при интенсивном нейтронном воздействии, а с превалирующим захватом позитронов в да-вакансии, формирующие каскада.

Стадия "отрицательного" отжига наблюдается только в кристаллах n-типа проводимости, облученных достаточно высоким флюен-сом реакторных нейтронов ( Фп 2 1 • 102° см"2 ) или ионов ксенона (Ф^.Ю1® см-2), причем увеличение среднего времени жизни позитронов на этой стадии происходит до гораздо более высокого уровня при нейтронном или ионном воздействии по сравнению со случаем облучения быстрыми электронами. Наличие стадии "отрицательного" отжига несомненно связано с образованием вакансионных кластеров. Компонентный анализ временных спектров показал, что в интервале температур отжига &Та=800 + 1900 °С для флюенса реакторных нейтронов Фп=1.10го см"* и АТв=800 + 2200 °С для Фп= Ы О2' см"2 в спектрах выделяются долгоживущие компоненты длительностью тг= (360 ± 15) пс и та=(463 t 18) пс соответственно. По величине %г долгоживущей компоненты можно оценить размер образующихся вакансионных кластеров. Основыв'аясь на известных из литературы зависимостях времени жизни позитронов от размера кластера, можно получить, что в кристаллах SIC, облученных дозами Фп=Ы02° см"* и Фп= 1 • 1021 см"2, образующиеся при отжиге кластеры состоят из 5+8 и более чем 20 вакансий соответственно.

Как отмечалось выше, в электронно облученных образцах кар-. Ьида кремния р-типа не наблюдается стадия "отрицательного" отжига. Данная стадия также отсутствует в аналогичных кристаллах,облученных до высоких флюенсов реакторных нейтронов С см. кривую 4 на рис.4 ). Это опять же подтверждает сделанный ранее вывод о принципиальной роли примесного .азота в процессе кластеризации вакансионных дефектов. Отметим, что и в случаях нейтронного или ионного облучений осуществление данного процесса возможно лишь в образцах п-типа, облученных до высоких флюенсов, т.е. при достижении некоторой критической концентрации наведенных дефектов.

Высокотемпературные стадии. При температурах .( Та^1300 °С ) имеют место либо одна, либо две стадии отжига структурных дефектов, что определяется дозой облучения, а также типом . примеси. Для кристаллов SIC n-типа проводимости, облученных реакторными нейтронами или ионами до малых флюенсов, единственная стадия характеризует отжиг вакансионно-примесных комплексов и дефектов, формирующих каскада. При облучении нейтронами дозой 1 • 10го см~г или ионами ксенона дозой 305-1019см"г высокотемпературный отжиг проходит в две стадии. Компонентный анализ спектров показал, что в диапазоне температур отжига АТо=1300-И 900 °С длительность дол-гоживущей компоненты т^ЗбО пс остается в пределах экспериментальной ошибки постоянной, а соответствующая ей интенсивность I ■ уменьшается с ростом Та, имея при этом две характерные области АТа= 1300 + 1500 °С и ATq= 1700 + 1900 °С. Постоянство длительности 1г долгоживущей компоненты позволяет считать, что разница в размерах кластеров, отжигающихся на указанных стадиях, не велика. Возможно, сначала отжигаются "рыхлые" кластеры, а затем -их более компактные конфигурации. В пользу этого говорит и близость значений энергий активации распада кластеров. При облучении реакторными нейтронами до флюенса 1 • 10" см"2 вакансионные кластеры, образующиеся на стадии "отрицательного1* отжига, существенно более устойчивы: их отжиг протекает одностадийно в диапазоне температур ДТв= 2000 + 2300 °С. •

Полученные в работе результаты для широкого класса образцов и большого диапазона флюенсов высокознергетичных частиц могут быть использованы при прогнозировании радиационной стойкости изделий и приборов на,основе SIC. Так, длительные времена экспозиции SIC в радиационных полях приводят к кластеризации ваканси-онных дефектов в процессе термического отжига. Важно отметить, что по порядку величины критический флюенс меньше обычных доз, соответствующих легированию путем имплантации, а образующиеся кластеры весьма устойчивы до высоких температур. Чтобы избежать образойания вакансионных кластеров, следует использовать кристаллы SIC, содержащие малую концентрацию примесного азота.

Позитронная диагностика фазовых превращений в системах мат-рица-примось-вакзнсионные дефекты с малым параметром порядка. Образование дефектной структуры в кристалле можно рассматривать как возникновение новой фззы, а эволюцию дефектной структуры -

как фазовое превращение. Наиболее ярким примером фазового превращения является процесс образования вакансионных кластеров, который с теоретической точки зрения можно описывать с помощью теории фазовых переходов первого рода.

Анализ всех экспериментальных результатов, полученных в данной работе, свидетельствует о том, что независимо от вида ионизирующего излучения имеют место два типа кривых изохронного отжига: первый характеризуется только одной высокотемпературной стадией отжига радиационных дефектов, второй имеет более сложную зависимость i от Та. Главная особенность кривых второго типа состоит в наличии стадии "отрицательного" отжига, обусловленной возникновением вакансионных кластеров. Качественно похожий характер кривых отжига для всех видов излучения позволяет предполагать, что процесс кластеризации имеет единую природу во всех наблюдаемых случаях. Размеры образующихся вакансионных кластеров характеризуют параметр порядка фазового состояния гетерогенной системы ыатрица-примесь-вакансионные дефекты.

Отсутствие стадии "отрицательного" отжига в электронно и нейтронно облученных до больших доз образцах SIC р-тила свидете-. льствует о принципиальной роли примесного азота в процессе кластеризации вакансионных дефектов. Для осуществления в процессе отжига кластеризации необходимо, чтобы концентрация азота в SIC n-типа превышала некоторое критическое ( "10" см~э ) значение. Кроме того, требуется и достаточно большая доза облучения ( Фо МО20 см-2, Ф. £ 5- 10,э см"г, Фв > МО" см~2 ).

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что в процессе термического отжига облученных до высоких флюонсов и легированных до больших концентраций азота кристаллов карбида кремния возникают критические ситуации, приводящие к неустойчивости системы матрица-примесь-радаационные вакансии. Результатом развития этой неустойчивости являются фазовые превращения - образование и эволюция вакансионных кластеров, причем размеры, концентрация и термическая устойчивость кластеров зависят от вида и флюенса облучения. Такого рода фазовые превращения должны быть присущи различным многокомпонентным системам, содержащим вакансии и примесные атомы. Аналогичные явления ранее наблюдались в матрицах металлов, сплавов, полупроводников и их следует отнести к подобным фазовым превращениям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально показано, что облучение монокристаллов карбида кремния n-типа быстрыми электронами при температурах, близких к комнатной, приводит к образовании двух типов дефектов вакансионной природы. Такими дефектами являются метастабильные генетически связанные пары вакансия-межузельный атом, стабильные до температур «150 °С, и азот-вакансионные комплексы, которые отжигаются в диапазоне температур 1300 + 1600 °С. Обнаружено.что на эффективность образования устойчивых френкелевских пар влияет концентрация примесных атомов. При изохронном отжиге облученных кристаллов SIC имеют место две низкотемпературные стадии, связанные, по-видимому, с рекомбинацией "близких" и диссоциацией "далеких" пар Френкеля, соответственно.

2. Нейтронное и ионное воздействия приводят к образованию в карбиде кремния каскадов смещений, формируемых в основном дива-кансиями с локальной концентрацией «3•10to см-3. Такие каскады, размер которых по сделанным в работе оценкам составляет 40-60 А, являются весьма эффективными центрами локализации позитронов.При дозах реакторных нейтронов 2.5-ю" см~г и ионов ксенона 5-10" см~* среднее расстояние между каскадами не превышает »1000 А.

3. В монокристаллах карбида кремния n-типа проводимости, облученных до высоких флюенсов быстрых электронов .( Фт 2 1 • 10,в см"*), реакторных нейтронов ( 1 • 10го см"2) или ионов ксенона

( <3^5-101Э см"2) в процессе термического отжига имеет место образование вакансионных кластеров, размеры и термическая стабильность которых зависят от вида и флюенса высокоэнергетичных частиц. Оценено,что в процессе отжига нейтронно облученных кристаллов образуются кластеры, состоящие из 5+8 и более чем 20 вакансий для флюенсов 1 • 10го см-2 и МО21 см-1 соответственно. Близкие по размерам кластеры образуются при отжиге . кристаллов SIC, подвергнутых ионному воздействию. Экспериментально доказано, что процесс кластерообразования существенным образом связан с атома- . ми примесного азота и имеет пороговый характер: для его реализации необходимо, чтобы кристаллы карбида кремния, легирование до ' сравнительно высокой <~1010 см"3) концентрации примесного азота, были облучены достаточно большой дозой высокоэнергетичных частиц.

4. На основании данных позитронной диагностики, а также их.

корреляции с результатами люминесцентных исследований предложен новый, более простой и более эффективный способ, изготовления светодиодов на основе карбида кремния с излучением в коротковолновом диапазоне- Этот способ позволяет получать однородную люминесценцию по площади всего образца и воспроизводимые параметры всех светодиодов, созданных на этом модуле.

5. На основании полученных экспериментальных результатов, а также анализа литературных данных сделан вывод о том, что метод аннигиляции позитронов может быть успешно использован для диаг- , ностики фазовых превращений в системах матрица-примесь-ваканси-онные дефекты, характеризующихся малым параметром порядка, т.е. в тех случаях, когда образуется новая мелкодисперсная фаза, состоящая из вакансионных кластеров с размерами порядка нескольких Ангстрем, что позволяет расширить возможности таких методов как электронная микроскопия и рентгеновская спектроскопия.

6.Экспериментально показано, что облучение монокристаллического кремния ионами ксенона с энергией ~124 МэВ приводит к образованию каскадов смещений, формируемых в основном дивакансия-. ми, наблюдавшимися ранее в нейтронно облученных кристаллах кремния. Распределение этих дефектов по глубине повревденного слоя, толщина которого составляет "18 мкм, практически равномерное.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Girka A.I., Mokrushin. A.D., Mokhoy E.N., Osadchlev V.M., Pogrebnjak A.D., Shishkin A.V. Investigation oi defects in neutron irradiated SIC. - Proc. 8-th International Conference on Positron Annihilation./Ed. by Dorlkena-Vanpraet I., Dorikens M., Segers D., Singapore, 1989, p.458-460.

2. Гирка А.И., Клопиков Е.Б., Скуратов В.А., Шишкин A.B. Исследование методом-аннигиляции позитронов дефектов в монокристаллах кремния, облученных ионами ксенона. - Физика и техника полупроводников, 1989, т.23, в.2, с.328-331.

3. Гирка А,И., Дидык А.Ю., Мокрудан А.Д., Свирида C.B., ПЬшкин A.B. Исследования вакансионных дефектов, возникающих в карбиде кремния при ионной имплантации. - В кн.: Тезисы докладов ' XIX Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.: Издательство МГУ, 1989, с.137.

. 4. Гирка A.M., Дидык А.Ю., Мокрушин А.Д.,.Мохов E.H., Свирида C.B., Шишкин A.B., Шмаровоз В.Г. Кластеризация вакансий в процессе термического отжига карбида кремния, облученного тяжелыми ионами. - Письма в журнал технической физики, 1989, т.15, в.12, с.24-27.

5. Гирка А.И., Кулешин В.А., Мокрушин А.Д., Мохов E.H., Свирида C.B., Шишкин A.B. Позитрошая диагностика дефектов в карбиде кремния, облученном нейтронами. - Физика и техника полупроводников, 1989, Т.23, в.7, С.1270-1274.

6. Гирка А.И., Кулешин В.А., Мокрушин А.Д. Мохов E.H., Свирида C.B., Шишкин A.B. Позитронная диагностика вакансионных дефектов в облученном электронами карбиде кремния. - Физика и техника полупроводников, 1989, т.23, в.12, с.2159-2163.

7. Гирка А.И., Мокрушин А.Д., Мохов E.H., Осадчиев В.М., Свирида C.B., Шишкин A.B. Наблюдение фазовых превращений в системах матрица-примесь-вакансионные дефекты методом аннигиляции позитронов. - Письма в журнал технической физики, 1989, т.15, В.24, с.79-83.

8. Гирка A.M., Мокрушин А.Д., Мохов E.H., Осадчиев В.М., Свирида C.B., Шишкин A.B. Позитрошая диагностика фазовых превращений в системе SlC-азот-вакансионные дефекты. - Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1990, т.97, в.2, с.578-590.