Радиационная модификация свойств узкозонных полупроводников КРТ и структур на его основе для фотоприемников ИК диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННАЯ АННИГИЛЯЦИЯ В УЗКОЗОННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ КРТ.

1.1 Исследование структуры дефектов в полупроводниках методами позитронной спектроскопии.

1.2 Расчет времени термализации позитронов в КРТ.

1.3 Оценка параметров электрон-позитронной спектроскопии в КРТ.

1.4 Методика определения параметров электрон-позитронной аннигиляции.

1.5 Электрон-позитронная спектроскопия в исходных кристаллах КРТ.

Актуальность темы. С начала 70х годов прогресс в разработке приборов для инфракрасной области спектра неразрывно связан с использованием в качестве основного полупроводникового материала для фотоприемных устройств - твердого раствора теллурида кадмия ртути HgixCdxTe (KPT). Данный полупроводниковый материал характеризуется широким спектральным диапазоном фоточувствительности (1-25 мкм), высокими значениями подвижности носителей заряда и сравнительно низкой собственной концентрацией носителей заряда при рабочих температурах (Тр < 80 К). Для реализации потенциальных преимуществ применения твердых растворов КРТ в фотоприемных устройствах необходимо использовать материал с оптимальными фотоэлектрическими свойствами и примесным составом. Поэтому важным является решение ряда проблем, связанных с изготовлением материала с регулируемыми параметрами.

Использование известных методов управления свойствами соединения КРТ и структур на его основе путем длительного отжига в атмосфере металла или халькогена и легирования примесями не позволяло решить поставленные задачи по получению материала с параметрами, необходимыми для создания высокочувствительных фотоприемников. Совершенствование технологии существующих и разработка принципиально новых приборов возможны с переходом на новые базовые технологии опто- и микроэлектроники. Технология, способная быстро адаптироваться к таким материалам и характеризующаяся значительной скоростью процессов, должна быть основана на изменяющих свойства материалов и структур воздействиях типа ионизирующей радиации, которые не требую специального высокотемпературного нагрева, обладают возможностью однородного и локального легирования полупроводниковой подложки и эффективностью контроля уровня легирования регулировкой дозы облучения и энергии частиц.

К моменту начала данной работы (1978 г.) перед исследователями стояла реальная задача по использованию методов радиационной физики полупроводников, широко применяемых уже для простых и бинарных полупроводников, для нового класса - узкозонных твердых растворов теллурида кадмия ртути (КРТ) с целью получения кристаллов KPT и структур на его основе с требуемыми параметрами для ИК оптоэлектроники.

Систематического и объемного исследования в данном направлении не наблюдалось: имелись работы по низкотемпературному облучению КРТ высокоэнергетическими частицами (в первую очередь, электронами) и работы практического характера, связанные с получением п-р переходов на КРТ облучением высокоэнергетическими ионами.

Начало исследований по воздействию радиации на узкозонные твердые растворы в СФТИ было положено работами Войцеховского А.В. и др. в середине 70 годов. В результате проделанной работы было разработано новое научное направление - радиационная физика узкозонных полупроводников Продолжение исследований велось в направлении выявления общих закономерностей радиационного дефектообразования в кристаллах КРТ при использовании широкого набора условий облучения и типа частиц. При этом особое внимание уделялось использованию ядерно-физических методов исследования, позволяющих получить качественно новую информацию о радиационных нарушениях в полупроводниках, в частности вакансионного типа. С этой целью, в работе было проведено физическое обоснование применимости метода электрон-позитронной спектроскопии для исследования исходных и радиационных дефектов в КРТ. Этот метод характеризуется высокой чувствительностью к дефектам вакансионного типа, а использование пучков моноэнергетических позитронов с низкими энергиями позволило применить его и для исследования радиационных дефектов в ионноимплантированных кристаллах КРТ.

Переход ИК оптоэлектроники на полупроводниковые структуры, выращенные эпитаксиальными методами, требует пристального изучения как исходных свойств эпитаксиальных пленок, так и исследования радиационной модификации этих структур. В работе впервые проведено исследование механизмов рекомбинации в эпитаксиальных пленках КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (ИФП СО РАН, г. Новосибирск), и измерение электрофизических и фотоэлектрических параметров, сформированных импульсно-радиационным облучением эпитаксиальных структур.

Появление нового класса ускорителей ионов и электронов - мощных короткоимпульсных источников, работающих на основе взрывной электронной эмиссии (НИИ ЯФ, г.Томск), предоставило дополнительные возможности по радиационной модификации КРТ. В данной диссертационной работе впервые проведен анализ результатов по воздействию короткоимпульсными пучками ионов и электронов на полупроводниковый материал КРТ.

Таким образом, из приведенного выше анализа следует актуальность решения проблемы радиационного формирования свойств узкозонных полупроводников КРТ и структур на его основе для фотоприемников ИК диапазона с предельными характеристиками.

Цель работы. Выявление общих закономерностей проявлений радиационных воздействий на узкозонные твердые растворы теллурида кадмия ртути, обнаружение и исследование радиационных эффектов в данном полупроводнике и разработка физических основ радиационного метода формирования характеристик фоточувствительных структур на его основе.

Конкретные задачи исследования включали в себя:

1. Физическое обоснование методики электрон-позитронной аннигиляции для обнаружения и идентификации исходных и радиационных дефектов в КРТ и определения их основных параметров (параметры кривых УРАФ, удельная скорость захвата позитронов). Определение профилей распределения вакансионных дефектов при ионной имплантации с помощью метода медленных позитронов.

2. Исследование влияния облучения быстрыми частицами (гамма-кванты, электроны, нейтроны) на характеристики узкозонных твердых растворов КРТ для выяснения природы образования радиационных нарушений, определяющих электрические и фотоэлектрические свойства кристаллов КРТ. Изучение процессов накопления радиационных дефектов в материале и исследование термической стабильности и кинетики отжига радиационных дефектов в образцах, облученных в различных режимах.

3. Комплексное исследование формирования профилей распределения внедренных ионов и радиационных нарушений в приповерхностных слоях узкозонных твердых растворов КРТ при стандартной и импульсной высокоинтенсивной ионной имплантации, направленное на выявление физических закономерностей их формирования и роли вакансионных и электрически активных радиационных дефектов донорного типа в формировании характеристик создаваемых фоточувствительных структур.

4. Изучение электрических и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных структур КРТ, выращенных методом МЛЭ, для определения основных механизмов рекомбинации носителей заряда в образцах р- и п-типа проводимости, особенностей спектральных характеристик фотопроводимости исследуемых варизонных структур, а также выявления физических возможностей использования радиационно-стимулированных изменений их свойств для получения фоточувствительных структур.

5. Разработка радиационных методов модификации свойств узкозонных твердых растворов КРТ и структур на его основе, путем использования облучения высокоэнергетическими частицами и ионами, для получения высокочувствительных фотоприемников ИК диапазона.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования в настоящей работе были выбраны полупроводниковые образцы узкозонного твердого раствора HgixCdxTe (0.18 < х > 0.50) п- и р-типа проводимости. Измерения проводились как на монокристаллах КРТ, выращенных объемными методами (методом Бриджмена, методом твердотельной рекристаллизации, методом зонной плавки), так и на эпитаксиальных пленках КРТ, выращенных методами жидкофазной эпитаксии и молекулярно-лучевой эпитаксии.

Облучение образцов и структур на основе КРТ производилось с использованием ускорительной техники, реакторов и радиоактивных источников в широком интервале длительности импульсов, доз и энергии частиц и ионов различных элементов. В качестве основных источников облучения применялись:

-кобальтовая гамма-установка УКП-25000 (энергия гамма-квантов Е-1.25 МэВ, поглощенная доза Ф=105-109 Р);

-ускорители электронов ЭЛУ-4 (энергия электронов Е0=2-3 МэВ, поглощенная доза Ф=1014-2 1018см~2; ЛУЭ-1, ЛУЭ-2;

-ядерный реактор ИРТ-2000 (энергия быстрых нейтронов Е0=2 Мэв, поглощенная доза Ф=10ь-1019 см"2);

-имплантатор «Везувий-4» (Е0=50, 150 кэВ, плотность ионного тока j<0.1 мкА/см2, Ф=10и-1015 см" ); импульсный ускоритель ионов «Радуга» (плотность ионного тока j<10 мА/см2, длительность импульса т=100-200 мкс, Ф=1016-1017 см"2); импульсный ускоритель ионов «МУК» (плотность ионного тока j< 10 А/см2,

10 IS 9 длительность импульса т= 100 не, Ф= 10 "-10 см"); импульсный ускоритель «Темп» (плотность ионного тока j<50 А/см2, длительность импульса т=50 не, Ф = 10|3-1016 см"

2);

-плутоний-бериллиевый источник (Е0=4.5 Мэв, Ф=1012-1014 см"2).

Основные результаты в работе получены с использованием следующих методов исследования: эффект Холла, метод дифференциальных холловских измерений при послойном стравливании, измерение вольт-амперных характеристик, изотермический и изохронный отжиг радиационных дефектов, фотопроводимость, измерение времени жизни неравновесных носителей заряда, измерение спектральных характеристик фотопроводимости, Резерфордовское обратное рассеяние ионов, вторичная ионная масс-спектроскопия, электронная Оже-спектроскопия, электрон-позитронная аннигиляция, гамма-резонансный активационный анализ, измерение пороговых параметров фоточувствительных элементов - шумовые свойства, пороговая мощность, обнаружительная способность. Проводился модельный расчет параметров радиационных нарушений и полупроводникового материала при радиационном воздействии.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В узкозонных полупроводниках теллурида кадмия ртути при комнатной температуре параметры корреляционных кривых углового рассеяния аннигиляционных фотонов и временных спектров аннигилирующих позитронов определяются линейной зависимостью от процентного содержания компонент твердого раствора КРТ и концентрацией одиночных вакансий (вакансий ртути - VHg). При изменении концентрации вакансий ртути от 10ь см"3 до 1017 см"3 и выше скорость аннигиляции позитронов определяется сначала, скоростью объемной аннигиляции (3.55 не"1), а затем скоростью аннигиляции позитронов на двухзарядных вакансиях ртути (3.13 не"1).

2. С ростом дозы облучения электронами с энергией (2-3) МэВ кристаллов КРТ (х=0.20) при 300 К процесс радиационного дефектообразования, включающий в себя ассоциацию вакансионных дефектов и образование радиационных комплексов донорного типа с участием междоузельных атомов ртути, обуславливает: - различие в 8-10 раз в скоростях введения носителей заряда (электронов) в образцах р - и п -типа проводимости, соответственно; - наличие максимума дозовой зависимости подвижности носителей заряда в образцах п - типа проводимости; - возникновение позитрониевых состояний, локализованных в области радиационных нарушений вакансионного типа.

3. Отжиг радиационных дефектов в кристаллах КРТ, введенных облучением электронами с энергией (2-3) МэВ при 300 К, приводит к распаду комплексов, содержащих междоузельные атомы ртути и к их миграции на стоки. Процесс отжига характеризуется энергией активации (1.5±0.2) эВ и порядком реакции, определяемом размерами и концентрацией стоков, образующихся при облучении. Многостадийность отжига радиационных дефектов в кристаллах КРТ, облученных электронами, характеризующаяся обратным отжигом, определяется наличием в материале линейных дефектов и их взаимодействием с радиационными нарушениями.

4. Наблюдающиеся при ионной имплантации узкозонных твердых растворов КРТ различия в дозах при которых происходит - насыщение дозовых зависимостей слоевой концентрации электронов (от 2 1012 см"2 до 10!3 см"2), достижение предельных значений объемной концентрации электронов в имплантированном слое

18 3

Пнас ~ 2 10 см" ), а также различия в величине сдвига максимума их распределения в глубь полупроводникового материала с ростом дозы облучения определяются процессами «самоотжига» первичных радиационных дефектов и зависят от скорости набора дозы облучения.

5. Особенности пространственного распределения вакансионных и электрически активных донорных радиационных дефектов при ионной имплантации КРТ, включая различие в расположении их максимумов, лежащих дальше среднего проекционного пробега ионов, сдвига максимумов их распределения в глубь полупроводника с ростом интегральной дозы облучения и наблюдающиеся совпадение стадий отжига радиационных дефектов при облучении протонами и электронами обусловлены единой физической природой формирования радиационных нарушений в узкозонных твердых растворах КРТ и основаны на процессах диффузии и вторичного дефектообразования с участием междоузельных атомов ртути.

6. Радиационно-стимулированные изменения электрофизических и рекомбинационных свойств кристаллов КРТ, приводящие к возрастанию концентрации электронов, к снижению подвижности и к уменьшению значений времени жизни с увеличением дозы при облучении гамма-квантами и быстрыми нейтронами при 77 и 330 К, определяются преимущественным введением дефектов донорного типа. Воздействие ренгеновского и гамма-облучения дозами 103 - 107 Р приводит к перестройке исходной дефектной структуры материала, проявляющейся в изменении аннигиляционных характеристик и картин селективного травления облученных кристаллов КРТ.

7. В эпитаксиальных пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ, п-типа проводимости с х=0.20-0.23 в области температур, соответствующих примесной проводимости время жизни носителей заряда определяется совместным действием механизмов Оже-рекомбинации и рекомбинации на локальных центрах. В эпитаксиальном материале р-типа проводимости, с х=0.21-0.22 в области температур, соответствующих примесной проводимости в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается либо Оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных центрах с энергией рекомбинационного уровня Е{=Еу+0.015-0.022 эВ, отсчитываемой от потолка валентной зоны.

Достоверность выдвигаемых на защиту научных положений и результатов обусловлена корректностью применяемых в работе физических методов исследования, комплексным использованием взаимно дополняющих измерительных методик, согласованностью результатов при измерении электрических и структурных свойств материала, соответствием данных эксперимента с расчетными результатами других авторов, а так же не противоречием современным представлениям о физических процессах в облученных полупроводниках и эпитаксиальных структурах радиационной физики твердого тела.

Научная новизна выдвигаемых положений состоит в следующем: -определены аннигиляционные характеристики ростовых дефектов в твердых растворах теллурида кадмия ртути при комнатной температуре;

-определены закономерности изменения концентрации носителей заряда в кристаллах КРТ при электронном облучении при 300 К. Установлены значения скорости введения носителей заряда в кристаллы р-типа ((1.2 - 0.8) 10"1 см"1) и п-типа

2 1

1.5 - 2.0) 10" см") проводимости;

-установлены зависимости подвижности носителей заряда от величины дозы облучения электронами в кристаллах КРТ п-типа, определяющиеся исходной степенью компенсации материала и повышенной скоростью введения радиационных центров рассеяния;

-исследованы стадии отжига радиационных дефектов в облученных электронами кристаллах КРТ, определены порядок реакции и энергия активации процессов отжига дефектов в зависимости от исходных свойств и дозы облучения;

-впервые обнаружено наличие в облученных электронами кристаллах КРТ позитрониевых состояний, локализованных в области радиационных нарушений вакансионного типа;

-установлено, что облучение кристаллов КРТ электронами приводит к ускоренной диффузии серебра;

-показано влияние ренгеновского и гамма-облучения, а также облучения высокоэнергетическими электронами и протонами на параметры кривых углового распределения аннигиляционных фотонов и картины селективного травления кристаллов КРТ;

-определены закономерности дефектообразования при воздействии гамма-нейтронного облучения на кристаллы КРТ при различных температурах;

АО

-предложена модель и проведены соответствующие численные расчеты радиационного дефектообразования, диффузии примесей и радиационных дефектов при облучении ионами кристаллов КРТ, позволяющие корректно интерпретировать результаты экспериментов;

-установлены различия пространственного распределения вакансионных и электрически активных дефектов, образующихся в КРТ при высокоинтенсивном ионном легировании;

-определены общие закономерности и различия в формировании профилей радиационных доноров при традиционных режимах ионной имплантации и при воздействии сильноточных импульсных ионных пучков;

-определены механизмы рекомбинации в эпитаксиальных структурах КРТ, выращенных методом МЛЭ п- и р- типа проводимости в интервале температур 77 -300 К;

-выявлены особенности спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок КРТ с различными профилями ширины запрещенной зоны (варизонный характер объемной части эпитаксиальной структуры, наличие варизонных буферных слоев на границах раздела);

Научная ценность полученных в диссертации положений заключается в том, что они позволяют с единой точки зрения рассматривать формирование основных свойств узкозонных твердых растворов КРТ при радиационной модификации их с использованием всего спектра параметров известных радиационных воздействий, а также представляют возможность разработать физические принципы направленного изменения свойств узкозонных твердых растворов под действием излучения. Теоретически и экспериментально обоснована применимость методов позитронной аннигиляции для исследования структуры дефектов в кристаллах КРТ. Сведения о механизмах рекомбинации носителей заряда, об особенностях спектральных характеристик эпитаксиальных структур КРТ, выращенных методом МЛЭ, будут полезны для исследователей и разработчиков фотоприемников на эпиструктурах.

Практическая значимость работы. Разработаны физические принципы направленного изменения свойств узкозонных твердых растворов под действием облучения. Изучение поведения радиационных дефектов в процессе отжига позволило определить их термическую стабильность в облученных кристаллах и режимы отжига, необходимые для создания приборов на основе КРТ. Выработаны рекомендации по созданию фотоприемных устройств ИК диапазона на основе радиационного легирования материала КРТ (получено 4 авторских свидетельства на изобретения). Показана возможность использования высоко интенсивного короткоимпульсного легирования для создания пространственно-неоднородных структур на основе КРТ, разработаны рекомендации для выбора требуемых параметров короткоимпульсных источников ионов и электронов. Разработана программа расшифровки спектров УРАФ, которая может применяться для определения параметров корреляционных кривых аннигиляционных фотонов в металлах и полупроводниках. Разработана программа расчета основных параметров фоточувствительных структур на основе эпитаксиального КРТ, которая будет полезна как при выращивании эпипленок, так и при создании фотоприемников на их основе.

Результаты, использованные при написании диссертации, получены при выполнении ряда госбюджетных НИР и хоз/договорных работ в рамках НПП «Инфравид». Работа в данном направлении поддержана: семью грантами и программами МО РФ, Миннауки РФ и ФЦП "Интеграция".

Лабораторные образцы высокочувствительных фотоприемных устройств диапазона 5-12 мкм, изготовленные на основе разработанных технологических рекомендаций по радиационному легированию и ионной имплантации узкозонных твердых растворов КРТ, использованы в оптических системах ИК диапазона: для систем дистанционного зондирования атмосферы и адаптивной оптики (ИОА СО РАН, г. Томск,), в устройствах для измерения горизонтальной прозрачности атмосферы (СКБ НП "Оптика" ТФСОАН СССР, , г.Томск) для систем тепловидения (НИИ "Приборостроение", г. Москва), для сверхскоростных широкополосных оптических спектрометров (ЦКБ "Точприбор", г. Новосибирск), в системах регистрации импульсного лазерного излучения (ИСЭ СО РАН, г. Томск).

Материалы исследований, полученных в диссертационной работе, используются автором при разработке и чтении лекционных спецкурсов и проведении лабораторных работ на старших курсах радиофизического факультета Томского госуниверситета.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором и группой сотрудников и аспирантов, руководимых автором, а также - в сотрудничестве с научными работниками Сибирского физико-технического института им. В.Д. Кузнецова. Автор принимал активное участие в проведении экспериментальных работ, разработке исследовательских методик. Им лично проведен основной объем измерений электрофизических и рекомбинационных параметров облученных кристаллов. Анализ и интерпретация полученных результатов, формулировка научных положений, выносимых на защиту, также выполнены автором данной диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Международной конференции "Ионная имплантация в полупроводниках и других материалах" (Вильнюс, 1983 г.), II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980 г.), V-VII Всесоюзных симпозиумах по полупроводникам с узкой запрещенной зоной и полуметаллам (Львов, 1980, 1983, 1986 гг.), V,VI Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1979, 1981 гг.), Всесоюзных семинарах секции "Узкозонные полупроводники" Научного совета АН СССР по физике и химии полупроводников (Драгобыч, 1981; Кировобад, 1982; Томск, 1981, 1985) и секции "Радиационная физика полупроводников" Научного совета по радиационной физике твердого тела АН СССР (Киев, Новосибирск, Баку, 1979-1987 гг.), I и II Всесоюзных семинарах "Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках" (Павлодар, 1987, 1989 гг.), II Всесоюзной конференции "Материаловедение халькогенидных и кислородосодержащих полупроводников" (Черновцы, 1986 г.), XX Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1990 г.), VIH Международной конференции по позитронной аннигиляции (Гент,

Germany, 1988 г.), 8-ой конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1993 г.), 2 Украинской конференции "Материаловедение и физика полупроводниковых фаз переменного состава" (Нежин, 1993 г.), 10 Международной конференции "Ternary and Multinary compounds" (Stuttgart, Germany, 1995), Mater.Res.Soc.Program. (Boston, 1995), СИБКОНВЕРСИЯ-95 (Томск, 1995 г.), 4 - Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996 г.), международной конференции "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Uzhgorod, 1996г.), Международной конференции "BEAMS-96" (Prague, 1996), Международной конференции по тройным и сложным соединениям (Salford, 1997), 2,4,5 симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1995,1997,1998 г.), 3-ей международной научно-практической конференции "Сибресурс" (Красноярск, 1997), Международном симпозиуме "Контроль и реабилитация окружающей Среды" (Томск, 1998 г.), IV Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 1998 г.), IV Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП - 98 (Новосибирск, 1998 г.), международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 1998 г.), Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, 1998 г.), IV International conference on material science and material properties for infrared optoelectronics (Kyiv, 1998), International conference on solid state crystals (Zakopane, 1998), Международной конференции по росту и физике кристаллов (Москва, 1998 г.), 10-й Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-10 (Томск, 1999 г.), IV Всероссийской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 90 печатных работах, перечень основных из которых представлен в конце автореферата. В числе публикаций одна монография и четыре авторских свидетельства.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Объем работы составляет 240 страниц текста, 177 рисунков, 39 таблиц и 455 цитируемых источников. В приложении приведены акты внедрения и использования результатов диссертационной работы.

Результаты исследования имплантированных слоев твердого раствора КРТ методом POP подтверждаются результатами, полученными методом ВИМС (Рис.3.28). Действительно, при облучении материала ионами вольфрама дозой 5 1016

-Q «О

1800

500

200 ooo- го ми 4He к X

4 % ж я X к» о 11

540 550 580 канала

500 52О

Рис 3.27. Выход неориентированных спектров POP для исходного кристалла и имплантированных ионами W+ (j=3 мА/см2) кристаллов Hgo.7Cdo.3Te. (о) -исходный кристалл; (•) - Ф=5:|

1016 см/; (х) - Ф=2*101 см

17 см"2 происходит незначительное нарушение стехиометрии слоя полупроводника

17 2 толщиной 100 А. Увеличение дозы облучения до 2 10 см" практически не влияет на потери Cd и Те, однако концентрация атомов ртути не достигает объемного значения даже на глубине 500 А (Рис.3.28). Следует напомнить, что ионная имплантация в КРТ, проводимая при малых плотностях тока (Рис.3.22) приводит к обеднению поверхностного слоя полупроводника атомами Hg при гораздо меньших дозах облучения. Так нарушенный слой толщиной 1000 А образуется при имплантации в КРТ 50 кэВ ионов аргона дозой 10ь см"2.

Обращает на себя внимание форма профиля распределения внедренной примеси. Пик примесной концентрации не совпадает с расчетными значениями Rp, и концентрационный профиль начинается прямо от поверхности полупроводника. Согласно результатам предыдущего раздела, профили такой формы образуются при наличии преимущественного распыления атомов мишени в процессе имплантации. По-видимому, наличие в спектре используемого ионного пучка частиц с относительно небольшой энергией (30 кэВ) приводит к тому, что наряду с легированием материала может происходить процесс ионного травления поверхности полупроводника. В этом случае профиль примесной концентрации сдвигается к поверхности материала. Кроме того, ионное травление КРТ сопровождается преимущественным распылением атомов ртути [365], что объясняет образование обедненного ртутью слоя после имплантации ионов W дозой 2 1017 см"2. При этом следует отметить, что распыление компонент твердого раствора КРТ при импульсной миллиамперной имплантации наблюдается лишь при воздействии тяжелых ионов с достаточно низкой энергией. Так, высокоинтенсивное воздействие ионов Си+ с

17 2 энергиями 50-100 кэВ дозами до 10 см" не приводит к нарушению стехиометрического состава.

Полная деградация поверхности материала при сильноточном облучении i 17 2 ионами W дозой 2-10 см" подтверждается результатами металлографических исследований. Как видно из Рис. 3.29, картина селективного травления в этом случае резко отличается от картин селективного травления исходного образца (рис.3.29, а) и образца, облученного дозой 5-Ю16 (рис.3.29, б). Крупные скопления дислокационных

X,

Рис 3.28. Пространственное распределение компонентов твердого раствора и имплантированной примеси в кристаллах Hgo.7Cdo.3Te, после имплантации ионов XV интегральными дозами Ф, см"2: а - 5*1016; б - 2*1017. ямок травления, выявляемые на поверхности кристалла, облученного дозой 5-Ю16 см" вероятно, обязаны своим происхождением механическим напряжениям, возникающим в материалах при воздействии сильноточных ионных пучков [366].

Измерение спектров аксиального каналирования ионов Не вдоль направления <111> (рис.3.30) позволило определить степень дефектности приповерхностной области исследуемого твердого раствора после имплантации ионов W по формуле [326]:

Cd = Xd ~Хо . (3.10)

1-Jo где Хо, Ха - нормированные минимальные выходы каналированных спектров POP для исходного и имплантированного кристаллов, соответственно. В нашем случае Cd = 30 %, что совпадает с уровнем насыщения степени дефектности материала при имплантации тяжелыми ионами с малой скоростью набора дозы облучения [367]. Форма спектров аксиального каналирования свидетельствует о том, что при дозах облучения до 5-1016 см"2 не наблюдается аморфизации поверхностного слоя кристаллов Hg]xCdxTe при воздействии сильноточных импульсных ионных пучков [367].

Возможность обнаружения дефектов вакансионного типа обеспечивает метод аннигиляции позитронов. Радиационные нарушения, вызванные ионной имплантацией, локализованы в слое толщиной менее 1 мкм. Как было показано в главе 1, исследовать слой такой толщины, используя методику, описанную в разделе 1.4, практически невозможно. Эксперименты подтвердили справедливость результатов расчета. Изменения в параметрах кривых УРАФ имплантированных кристаллов Hgo.7Cdo.3Te по сравнению с исходными значениями лежали в пределах ошибки измерений. Поэтому для исследования параметров аннигиляции в имплантированных образцах твердого раствора КРТ были использованы пучки медленных позитронов.

Схема эксперимента приведена на Рис.3.31. Позитроны, испускаемые радиоактивным источником 58Со (2) активностью 100 - 500 mKu, попадают в замедлитель (1), представляющий собой монокристалл вольфрама, быстро

Рис 3. 30. Выход каналированных спектров POP для исходного (кривая 1) и облученного ионами W1 дозой Ф=5*1016 см"2 (кривая 2) кристаллов Hgo.7Cdo.3Te

Рис 3.31. Схема эксперимента с применением пучка медленных позитронов. 1 -замедлитель; 2 - Р+- источник 58Со; 3 - фильтр; 4 - ускоритель. линии от энергии позитронов для исходного и имплантированного ионами W' кристаллов КРТ.

2кЗ замедляются до тепловых скоростей, диффундируют обратно к поверхности и эмитируются из замедлителя, имея энергию ~ 1 эВ [368, 369]. Затем позитроны транспортируются к образцу продольным магнитным полем. Энергия их меняется от 1 эВ до 35 кэВ при помощи электростатического ускорителя (4). Для исключения высокоэнергетических позитронов в установке предусмотрен электромагнитный фильтр (3). Попадая в образец, позитроны могут аннигилировать в объеме материала, захватываться на дефекты либо на поверхностные состояния, а также эмиттироваться из образца либо в чистом виде, либо в виде атома Р5 [369]. Движение медленных позитронов в веществе описывается диффузионно-аннигиляционным уравнением (1.6) и подробно рассматривалось в разделе 1.2.

На Рис.3.32 приведены зависимости 8-параметра аннигиляционной линии от энергии позитронного пучка для исходного и имплантированных кристаллов Hgo.7Cdo.3Te, При малых энергиях позитронов параметры аннигиляции практически полностью определяются захватом позитронов на поверхностные состояния. При значениях Е+ ~ 30 кэВ поверхностный захват несущественен и можно считать, что значение Б (30 кэВ) совпадает с объемным значением 8о. Как видно из Рис.3.32 (кривая 1), для исходного кристалла Hgo.7Cdo.3Te 8о=0.455, а = 0.530. Облучение тяжелыми ионами вызывает изменение поверхностных свойств материала, что проявляется в увеличении значения до 0.55 (кривые 2, 3). При дальнейшем анализе глубинного распределения значения 8-параметра, изменения свойств поверхности не учитываются, а кривые 8(Е ) масштабируются таким образом, чтобы разность значений Б-параметров в исходном и облученном материале А8(0) = 0. Оставшиеся различия в кривых Б(Е ) для облученного и исходного кристаллов приписываются позитронной аннигиляции в радиационных дефектах вакансионного типа. Пространственное распределение этих дефектов С/х) определяется следующим образом. Задается некоторая форма распределения Са(х), в которой параметрами являются глубина залегания и уровень концентрации дефектов. Затем при различных значениях параметров решается уравнение (1.6). Решение этого уравнения позволяет найти доли позитронов, аннигилирующих на поверхности, на дефектах и в объеме материала: Е3(Е"), Ба и Р0, соответственно. Формулы для нахождения Р5, и Е0 приведены в главе 1. Затем строится зависимость:

ST(E+) = Fo(E')-So + Fs(E+)-Ss + Fd(E+)-Sd .

Полученная зависимость ST(E ) сравнивается с экспериментальными кривыми

S(E~). Параметры модели Cd(x) меняются до тех пор, пока не будет получено хорошее соответствие SX(E~) и S(E+).

В данном случае предполагался гауссов вид распределения Cd(x). При оптимальных параметрах модели значение % лежало в пределах 1.2-И.5, что свидетельствует об удовлетворительном совпадении SX(E+) с экспериментальными кривыми. Распределения Cd(x) для имплантированных кристаллов приведены на рис.3.33. Из рисунка видно, что не происходит насыщения концентрации позитрончувствительных дефектов в исследуемом диапазоне доз облучения. Отметим также, что глубина залегания профиля вакансионных дефектов существенно превышает Rp имплантированных ионов, но в то же время не совпадает с глубиной залегания профилей электрически активных дефектов. Максимум распределения Cd(x) находится в области спада концентрации радиационных дефектов донорного типа.

Таким образом анализ пространственного распределения радиационных дефектов донорного типа, образующихся при облучении ионами в данном режиме показывает существование общих закономерностей процессов радиационного дефектообразования при имплантации ионов в режиме слабых токов (доли микроампер) и средних токов (миллиамперы). Вместе с тем, профили п(х), формирующиеся при рассматриваемом режиме лежат ближе к поверхности и не наблюдается обеднение приповерхностного слоя полупроводника атомами ртути для доз до Ф = 1016 см "2.

Таким образом, в данном разделе нам удалось провести исследования в различии распределений по глубине электрически активных и вакансионных дефектов в полупроводнике после облучения. Метод электрон-позитронной аннигиляции использовался нами для определения вакансионных дефектов в КРТ при облучении высокоэнергетическими протонами (раздел 3.3) для которых глубина пробега сравнима с глубиной пробега позитронов в полупроводнике. В данном случае использовалась установка с медленными позитронами. Как следует из Рис.3.33 ял

Рис 3. 33. Профили распределения вакансионных позитрончувствительных дефектов в КРТ после облучения ионами W+ при плотности тока ионов 3 мА/см2; Ф, см"2: 1 - 5Т016, 2-210

16

-,17 максимум распределения позитрончувствительных вакансионных дефектов находится в области нарастания концентрации дефектов донорного типа. Аналогичная картина наблюдается и для случая облучения ионами Н при слабых токах, из которой следует, что при удалении от поверхности величина концентрации вакансионных дефектов снижается, что приводит к уменьшению вероятности захвата ими междоузельной ртути и возрастанию доли дефектов на основе междоузельной ртути как электрически активных донорных центров. Следствием этого факта является увеличение концентрации электронов вне области скопления вакансионных дефектов.

3.7 Облучение мощными импульсными пучками А1+

Облучение проводилось на мощном импульсном ускорителе типа "МУК" ионами алюминия (АГ) с энергиями 150 - 450 кэВ дозами Ф = 2 1012 - 2 1015 см"2. Плотность тока при облучении составляла 6-8 А/см , длительность импульса составляла 100 не. Поверхностная концентрация электронов Ns, являющаяся интегральной концентрацией электронов по всему имплантированному слою определялась посредством измерения коэффициента Холла методом Ван-дер-Пау в предположении малого вклада в проводимость необлученной части полупроводника. Для этого использовались тонкие образцы с толщиной не более 70 мкм. При данной толщине проводимость ненарушенного слоя полупроводника не превышает 3 10"4 Ом" 1 что во всех случаях меньше проводимости имплантированного слоя.

Результаты измерений интегральных электрофизических параметров КРТ после облучения ионами АГ приведены в табл.3.7, 3.8. Из таблиц видно что после облучения произошло увеличение концентрации электронов в образцах КРТ п-типа проводимости, а в образцах р-типа произошла конверсия типа проводимости уже при минимальной дозе облучения Ф = 1012 см"2. Измерение зависимостей коэффициента Холла от напряженности магнитного поля (рис.3.34, 3.35) показали, что эти зависимости имеют вид, характерный для КРТ n-типа проводимости, независимо от исходных параметров образцов и от интегральной дозы облучения.

-1-1li1 о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

В, Тл

Рис. 3.34. Полевые зависимости слоевого коэффициента Холла после имплантации в'п- КРТ ионов АГ дозами Ф (см"2): 1 - 1012; 2 - 1013: 3 - 1014' 4 - 1015.

В, Тл

Рис.4.35. Полевые зависимости слоевого коэффициента Холла после имплантации в р-КРТ ионов А1+ дозами Ф (см"2): 1 - 1013' 2 - 1014- 3 - 1015, С \ / ? 5 5

4 - 210.