Роль радиационно-стимулировамных процессов в модификации свойств полупроводников и полупроводниковых приборов с дефектами структуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

2 7 М/Л 199Г

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

На правах рукопису

МАК ВАСИЛЬ ТИМОФІИОВИЧ

РОЛЬ РЛДІАЦШНО-СТИМУЛЬОВЛНИХ ПРОЦЕСІВ В МОДИФІКАЦІЇ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКІВ І НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ З ДЕФЕКТАМИ СТРУКТУРИ.

01.04.07- Фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Чернівці - 1997

Дисертацією с рукопис

Робота виконана в Одеському державному університеті ім. 1.1.Мечникова на кафедрі експериментальної фізики.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук

професор Литовченко Петро Григорович. Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, •

професор Корбутяк Дмитро Васильович, доктор фізико-математичних наук, професор Чуйко Геннадій Петрович, доктор фізико-математичних наук, професор Фодчук Ігор Михайлович.

Провідна організація: Інститут фізики НАН України

Захист відбудеться «%3> » Т/ПсЛм-А 1997 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 07.01.06. Чернівецького державного університету ім. Юрія Федьковича. (274012, Чернівці, вул. Коцюбинського, 2).

Із змістом дисертації можна ознайомитись в науковій бібліотеці університету, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розіслано «І* /» 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Курганецький М.В.

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. Вивчення радіаційно-стимульованих процесів в твердих тілах та в приладах на їх основі мас важливе значенім з точки зору фундаментальних та прикладних наукових досліджень, для технологічного та технічного використання в радіоелектронній апаратурі, працюючій в умовах дії того чи іншого виду радіації. Дійсно, в сучасній електроніці елементарні напівпровідники та напівпровідникові сполуки, зокрема А" В" і А " В С’ <' , знайшли широке використання в якості приладів, в яких керування електричними, оптичними чи фотоелектричними властивостями здійс-нюється за допомогою зовнішніх факторів. Реакція приладів на зовнішню дію визначається енергетичним та просторовим розподілом електрично і оптично активних дефектів в матеріалі, на базі якого виготовлені прилади. Тому важливим-завдан-ням сучасної фізики твердого тіла є пошук ефективних методів цілеспрямованого керуванням саме спектрами електрично активних дефектів в напівпровідниках. Внаслідок обмеженості можливостей високотемпературного легування, особливо матеріалів напівпровідникових сполук л"ви і А " В С У , це завдання вирішується, в значній мірі, керуванням властивостями матеріалів та приладів на їх основі, за допомогою ядерних випромінювань. В зв’язку з цим актуальним виявляється дослідження процесів та встановлення спільних закономірностей дефектоутворення в типових представниках названих сполук сульфіді і тіогаллаті кадмію, а також в приладах на основі найрозповсюдженішого напівпровідникового матеріалу кремнію під дією гамма фотонів, електронів та нейтронів, з метою встановлення мікроскопічної природи дефектів, вияснення іх характеристик та кінетики накопичення і відпалу.

Сучасна мікроелектроніка на основі монокристалічних матеріалів привертає до себе настільки значну увагу, що дослідження радіаційно-стимульованих ефектів в напівпровідникових плівках майже не відображені в опублікованій літературі. Особливо це стосується плівок сульфіду і тіогаллату кадмію, взаємодія яких з ядерним випромінюванням досліджувалася лише в одній відомій роботі. Вже ця одна робота показала, що електронне опромінення покращує структуру плівок. В той же час багато фізико-технічних проблем практичного використання плівок С</5 і СёйагЗ 4 в якості детекторів різних видів випромінювань та використання їх при створенні приладів опто- та аку-

стоелектроніки не можуть бути розв'язані внаслідок значної нестабільності параметрів цих плівок. Тому проблема підвищення стабільності параметрів вказаних плівок та приладів на їх основі виявляється надзвичайно актуальною.

Розв'язання проблеми нестабільності характеристик полікристалічних напівпровідникових плівок нерозривно пов’язане з виясненням дифузійних параметрів основних дефектів і встановленням ролі електронних збуджень в зміні цих параметрів. Тому актуальним виявляється вивчення взаємодії ядерних випромінювань, збуджуючих електронну підсистему, з полікристалічніши плівками (Ж і 4.

Виявлене покращення характеристик елементарних напівпровідників та напівпровідникових сполук А1,1 Вг внаслідок збудження електронної підсистеми під впливом малих доз ядерних випромінювань не досліджувалося на сполуках А11 В1'1 і А " В С , . Білше того, при вивченні впливу великих доз радіації на властивості напівпровідників завжди нехтувалася роль іонізаційних факторів в процесах дефектоутворення. Тому вияснення ролі іонізуючого фактору при опроміненні напівпровідникових матеріалів та приладів на їх основі являється важливим як в теоретичному, так і в практичному аспектах.

Досягнута при металургійному легуванні ступінь однорідності легуючої домішки та питомого опору в кремнії виявляється недостатньою при виробництві деяких видів напівпровідникових приладів. Одним із способів розв’язання проблеми створення однорідного матеріалу є ядерне легування кремнію. Найбільш перспектившім в ядерному легуванні виявився метод нейтронного легування (НЛ) за допомогою повільних нейтронів, який дозволяє одержувати кремній обох типів провідності. Основним недоліком методу НЛ являється погіршення електричних та структурних властивостей матеріалу. Рекомбінаційний час життя неосновних носіїв заряду, який являється основнім показником чистоти та структурної досконалості в нейтронно легованому кремнії (НЛК), навіть після оптимального відпалу приблизно на порядок нижчий, ніж в кристалах, підданих звичайному легуванню. Більш того, його значення залежить від типу використаного реактора (співвідношення теплових та швидких нейтронів). Тому актуальною виявляється проблема зниження радіаційного пошкодження нейтронно легованого кремнію та відновлення т неосновних носіїв заряду.

Підвищення якості та надійності продукованих промисловістю кремнієвих діодів і транзисторів являється одним з найважливіших завдань твердотільної електроніки. Параметри та характеристики приладів визначаються як якістю використовуваних матеріалів, так і рівнем технології їх виробництва. Недосконалість технології вирощування матеріалів та виробництва приладів приводить до появи бракованих виробів. Одні типи виникаючих дефектів (обриви, трі-щиїт, закорочення та ін.) обумовлюють незворотній вихід приладів з ладу, їх катастрофічну відмову. Інші вади дефектів (дислокації, рекомбінаційно-гене-раційні центри в області р-п переходу, дефекти упаковки та ін.) також приводять до появи бракованих виробів, але в більшості випадків такі прилади зберігають роботоздатність та бракуються внаслідок відхилення одного чи декількох параметрів від норми, визначеної технічними умовами. Відновлення таких бракованих виробів напівпровідникової електроніки є одним з найважливіших завдань сучасного виробництва.

Метою роботи с встановлення на базі експериментальних досліджень особливостей дефектоутворення в залежності від структури твердого тіла і від типу хімічного зв’язку при радіаційних та термічних обробках, створення моделей радіаційно-термічних пошкоджень та вивчення їх впливу на фізичні властивості досліджуваних матеріалів та приладів.

У відповідності з поставленою метою в роботі розв’язуються наступні здачі:

1. Експериментально досліджується природа та параметри дефектів термічного і радіаційного походження в сульфіді і тіогатлаті кадмію та в кремнієвих діодах і транзисторах.

2. Досліджується роль іонізаційних ефектів в процесах еволюції дефектів при опроміненні сульфіду і тіогаллату кадмію та кремнієвих діодів і транзисторів.

3. Досліджується вплив технології вирощування плівок на радіаційно-стимульо-вані процеси.

4. Досліджується вплив технологічних домішок (Си в СйБ та Р в Бі) на стабільність параметрів та на радіаційне дефектоутворення в сульфіді кадмію та в кремнії.

5. Досліджуються особливості радіаційно-стимульованих процесів в сульфіді і тіогаллаті кадмію та в кремнієвих приладах в залежності від початкового дефектного стану.

6. Розробляються способи модифікації характеристик монокристалів і плівок

сульфіду кадмію та кремнієвих діодів і транзисторів з використанням радіа-ційно-стимульованих процесів.

Комплексність досліджень забезпечувалася використанням широкого вибору сучасних експериментальних методик, які базуються на вимірюванні оптичних, фотоелектричних, фотолюмінесцентних, електрофізичних і структурних характеристик напівпровідникових матеріалів та приладів з залученням методів машинного моделювання фізичних процесів.

Достовірність одержаних результатів забезпечувалася комплексним характером досліджень на основі використання апробованих експериментальних методик, машинною обробкою експериментальних результатів і математичною обгрунтованністю оцінок похибок вимірювань, високою відтворювашнстю результатів, їх інтерпретацією на основі великої кількості літературних даних та їх співпадінням в незалежних експериментах.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. Вперше показано, що при великих дозах опромінення електронами з енергіями до 7,5 МеВ рівень Фермі в монокристалах сульфіду кадмію прямує до свого граничного положення (0,77±0,02) еВ внаслідок вирішальної ролі радіаційних дефектів в визначенні електричних властивостей опроміненого матеріалу і визначено роль іонізаційно-стимульованих процесів в досягнені граничного положення рівня Фермі.

2. Встановлена роль іонізаційних процесів при електронному та гамма опроміненні монокристалів і плівок сульфіду кадмію та кремнієвих діодів і транзисторів в модифікації їх властивостей. Розоблена модель, яка описує ряд радіаційно-стимульоваїшх процесів при опроміненні вказаних матеріалів і приладів.

3. Встановлена природа та досліджена кінетика створення ряду дефектів радіаційного та термічного походження в монокристалах і плівках сульфіду та тіогаллату кадмію і в кремнієвих діодах і транзисторах. Виявлена їх роль в покращенні властивостей досліджуваних матеріалів та приладів.

4. Виявлено і досліджено процес радіаційно-стимульованої твердофазної перекристалізації полікристалічних плівок сульфіду кадмію. Показано, що цей процес може бути одним із механізмів ефекту малих доз в твердих тілах.

5. Вперше встановлено роль міді в процесах дефектоутворення при опроміненні монокристалів і плівок сульфіду кадмію та показана можливість ство-

рення на основі отриманих результатів високостабільного матеріалу для оптоелектроніки.

6. Виявлено оптичне гасіння фотопровідності і нові смуги стаціонарної фото-

люмінесценції в ультрафіолетовій та в видимій областях спектру в полікрис-талічних плівках тіогаллату кадмію. Встановлена природа та механізми утворення при термообробках і при гамма опроміненні, а також параметри відповідних центрів. Експериментально підтверджено на прикладі плівок тіогаллату кадмію припущення про високу радіаційну стійкість матеріалу з стехіометричними вакансіями. Запропонована схема енергетичних рівнів в по-лікрнсталічних плівках .

7. Розроблені оригінальні методики відновлення бракованих і покращешш параметрів та надійності придатних до використання кремнієвих діодів і транзисторів, в основі яких є використання радіаційно-стимульованих гамма опроміненням процесів.

Практична цінність роботи полягає в наступному:

1. Розроблено спосіб одержання високофоточутливих радіаційно стійких монокристалів сульфіду кадмію.

2. Розроблено спосіб стабілізації параметрів напівпровідникових плівкових структур Си-СсІБ.

3. Розроблено спосіб модифікації властивостей кремнієвих діодів.

4. Розроблено метод вирощування полікристалічішх плівок сульфіду і тіогаллату кадмію з високостабільними по відношенню до дії зовнішніх факторів (температура, атмосфера, опромінення) властивостями.

5. Розроблено метод модифікації таких основних параметрів кремнієвих транзисторів, як зворотній струм колектора та коефіцієнт передачі струму бази в схемі зі спільній.» емітером.

6. Розроблено метод відновлення бракованих за одним чи за декількома параметрами кремнієвій діодів і транзисторів та відбраковки потенційно ненадійних приладів.

7. Встановлена роль іонізаційних процесів при радіаційному дефектоутво-ренні і обгрунтовано можливість досягнення граничного значення темнової провідності монокристалів сульфіду кадмію лише при умові відносно невисоких енергій (Е<7,5 МеВ) опромінюючих електронів.

8. Встановлена можливість створення плівок тіогаллату кадмію, які мають ши-

року смуту фотолюмінесценції (500-850 нм), перекриваючу всю видиму область спектру. Змінюючи інтенсивність або довжину хвилі збуджуючого світла можна в широких межах змінювати положення максимуму спектрального розподілу цієї фотолюмінесценції.

Положення, що виносяться на захист:

1. Результуючий радіаційний ефект нелінійно залежить від дози. Ця неліній-ність залежить від енергії ядерних частинок, потужності дози та від властивостей матеріалу.

2. В радіаційно-стимульованих процесах в твердих тілах домінуючу роль відіграє структурний фактор: плівки та тонкі поверхневі шари в більшій мірі піддаються радіаційній деструкції, ніж об’ємні зразки.

3. Співвідношення різних механізмів радіаційно-стимульованих процесів визначається природою хімічного зв’зку в твердих тілах. Іонізаційно-стиму-льовані процеси проявляються більш ефективно в речовинах з більшою долею іонного зв’язку.

4. Можливості радіаційної відбраковки та відновлення кремнієвих діодів і транзисторів визначаються їх початковими параметрами та вірним підбором радіаційного впливу. .

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на республіканській нараді «Радіаційні пошкодження в твердих тілах» (Київ, 1974 р.), II Всесоюзній нараді по глибоких рівнях в напівпровідниках (Ташкент, 1980 р.), 33 нараді по ядерній спектроскопії та структурі атомного ядра (Ленінград, 1983 р.), Міжнародній конференції «Іонна імплантація в напівпровідниках та інших матеріалах» (Вільнюс, 1983 р.), Всесоюзній конференції «Радіаційна фізика напівпровідників та споріднених матеріалів» (Ташкент, 1984 р.), Всесоюзній координаційній нараді по напівпровідникових сполуках А2В5 (Кам'янець-Подільський, 1984 р.), Другій Всесоюзній науково-технічній конференції «Матеріалознавство халькогенідних та кисневміщуючих напівпровідників» (Чернівці, 1986 р.), Першому Всесоюзному постійному семінарі «Низькотемпературне легування напівпровідників та багатошарових структур мікроелектроніки» (Установ, 1987 р.), VII всесоюзній конференції «Хімія, фізика і технічне використання халькогенідів» (Ужгород, 1988 р.), Всесоюзній науково технічній нараді «Шляхи вдосконалення техно-

логії напівпровідникових та діелектричних матеріалів електронної техніки» (Одеса, 1988 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції «Конструктивно-технологічне забезпечення якості мікро- і радіоелектронної апаратури при проектуванні та на виробництві» (Іжевськ, 1988 р.), III Всесоюзній конференції «Перетворення сонячної енергії» (Москва, 1989 р.), VII Всесоюзній конференції по радіаційній фізиці і хімії неорганічних матеріалів (Рига, 1989 р.), 12 Всесоюзній конференції по фізиці напівпровідників (Київ, 1990 р.) З Всесоюзній науково-технічній конференції «Матеріалознавство халькогенідних напівпровідників» (Чернівці, 1991 р.), 1 Міжвузівській конференції «Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу» (Ніжин, 1991 р.), науково-технічній конференції «Фізичні основи надійності і деградації напівпровідникових приладів» (Нижній Новгород-Астрахань, 1992 р.), ІУ Міжнародній конференції ФТНП-93 (Івано-Франківськ, 1993 р.), У Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1995 р.), науковому семінарі, присв’яченому пам'яті В.В.Сердюка (Одеса, 1994 р.), наукових семінарах кафедри експериментальної фізики та НДЛ-3 Одеського університету (1984-1996 р-р.)-

Публікації. Матеріали дисертації відображені в 68 публікаціях, в тому числі в 3 авторських свідоцтвах на винаходи. Список основних з цих робіт приведено в кінці автореферату.

Особистий внесок автора. В дисертації узагальнені результати досліджень, виконаних автором разом із співавторами та самостійно. В спільних роботах автору належить ініціатива в формулюванні задач досліджень, обгрунтуванні напрямків наукового пошуку, безпосередня участь в проведенні експериментів, провідна роль в обробці та інтерпретації одержаних результатів.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів і основних висновків, викладена на 351 сторінці, включаючи 137 рисунків, 14 таблиць, бібліографію з 347 найменувань та один додаток.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, визначається мета і задачі роботи, формулюються наукова новизна та практичне значення досліджень, а також основні положення, які виносяться на захист.

В першому розділі приведені результати досліджень радіаційно-стиму-льованих процесів при гамма, електронному та нейтронному опроміненнях мо-

нокристалів сульфіду кадмію.

Опромінення делегованих та легованих міддю монокристалів сульфіду кадмію електронами з енергіями, не перевищуючими 7,5 МеВ, і гамма фотонами тСо змінює темнову провідність останніх, незалежно від її початкового значення, до величніш, близько ЗхІО"12 Om'W, ідо відповідає граничному положенню рівня Фермі Ес-(0,77±0,02) еВ. Величина дози, при якій досягається граничне положення рівня Фермі, залежить від початкової провідності монокристалів, від енергії опромінюючих електронів та від наявності чи відсутності легуючої домішки міді. Показано, що граничне положення рівня Фермі в опромінених монокристалах визначається спектром радіаційних дефектів в підрешітці кадмію - міжвузельними атомами та вакансіями кадмію (атомами міді в кадмієвих вузлах в легованих міддю зразках). Досягнення граничного положення рівня Фермі в легованих міддю кристалах CdS при дозах, на порядок менших, ніж в нелегованих кристалах (при однакових енергіях опромінюючих електронів), пов’язане з більшою швидкістю введення радіаційних дефектів в кадмієвій підрешітці легованих кристалів порівняно з нелегова-ними і в близькості енергетичних рівнів VCj та Cued в забороненій зоні напівпровідника.

При збільшенні енергії опромінюючих електронів зростає роль іонізаційних процесів, внаслідок чого одночасно з утворенням пар Френкеля (ПФ) в підрешітці кадмію зростає швидкість їх радіаційно-стимульованої аннігіляції. При енергіях електронів, менших від 7,5 МеВ, домінує процес утворення ПФ, а при більш високих енергіях вирішальну роль відіграє процес радіаційно-стимульованої аннігіляції ПФ, внаслідок чого при таких енергіях опромінюючих електронів рівень Фермі не виходить на своє граничне положення ні при яких реально досяжних дозах. Машинне моделювання радіаційного дефектоутворен-ня при електронному опроміненні з урахуванням радіаційно-стимульованої аннігіляції первинних ПФ підтвердило експериментальні результати.

Опромінення швидкими нейтронами реактора змінює темнову провідність нелегованих та легованих міддю монокристалів сульфіду кадмію до величини близько ЗхІО'7 Ом’см'1, що відповідає граничному положенню рівня Фермі Ес-(0,49±0,02) еВ. Відмінність значень граничного положення рівня Фермі в опромінених гамма чи електронами і швидкими нейтронами монокристалах CdS свідчить про різний характер дефектів, утворюваних при опроміненні легкими

та важкими ядерними частинками. В опромінених швидкими нейтронами монокристалах окрім точкових дефектів є області розупорядкування (ОР), оточені потенціальними бар’єрами, які змінюють потенційний рельєф зони провідності, внаслідок чого в таких кристалах положення рівня Фермі визначається провідністю кластерів дефектів.

Дослідження холлівської рухливості в опромінених гамма фотонами і 1 МеВ електронами нелегованих і легованих міддю монокристалах сульфіду кадмію показали, що зменшення рухливості носіїв заряду має місце переважно при низьких температурах (<250 К) і після великих доз опромінення (>10І9см'2 для ■/-фотонів та >1017 см'2 для електронів). Експериментальні температурні залежності холлівської рухливості носіїв заряду найкраще апроксимуються відомими теоретичними залежностями в припущенні, що розсіювання відбувається на двохзарядних розсіюючих центрах, якими є двічі іонізовані атоми кадмію в міжвузіллях. Обраховані швидкості введення цих дефектів. Вони виявилися рівними при опроміненні 1 МеВ електронами 0,08 см'1 для СёБ та 1,1 см'1 для СсІБ : Си монокристалів та 4x10'4 см'1 при гамма опроміненні для СсІБ монокристалів. Більша швидкість введення розсіюючих центрів в легованих міддю монокристалах пов’язана з утворенням при опроміненні в останніх дефектів Сиа, які зменшують швидкість аннігіляції первинних ПФ. Теоретичні розрахунки з використанням відомих по літературі перерізів утворення первинних точкових дефектів в монокристалах сульфіду кадмію показали, що експериментальні значення швидкості введення розсіюючих центрів погоджуються з теоретичними лише для легованих кристалів. Це пов'язано з частковою аннігіляцією радіаційно утворених ПФ в процесі опромінення нелегованих кристалів С (¡Б.

Дослідження термічно-стимульованої провідності, температурних залежностей темпової провідності та спектрального розподілу домішкової фотопровідності показали, що опромінення гамма фотонами, 1 МеВ електронами та швидкими нейтронами реактора створює в нелегованих монокристалах сульфіду кадмію електронні пастки з енергіями іонізації (0,44±0,02) еВ, (0,52±0,02) еВ і (0,95±0,02) еВ, а в легованих міддю монокристалах додатково до перерахованих створюються пастки з енергією іонізації (0,34±0,02) еВ. Крім того, опромінення гамма фотонами та швидкими електронами створює в нелегованих монокристалах діркові рівні прилипання з енергією іонізації

(0,32±0,02) eB, які являються вакансією кадмію в одному з можливих зарядових станів. На основі аналізу отриманих експериментальних результатів та аналізу літературних даних зроблено висновок про природу перерахованих пасток, зокрема показано, що за пастки з енергією іонізації (0,95±0,02) еВ відповідають прості точкові дефекти в підрешітці кадмію. Внаслідок їх високої концентрації в опромінених зразках температурна залежність темнової провідності визначається саме цими дефектами. .

Відпал низькоомних делегованих монокристалів сульфіду кадмію в кисневій атмосфері виявив можливість створення A-центрів в підрешітці сірки - комплексів (Vs-0). Визначена енергія активації процесу утворення цих дефектів -2,4 еВ. Вказані дефекти обумовлюють домішкову фотопровідність з максимумом спектрального розподілу при 0,67-0,69 мкм і являються центрами фоточут-ливості низькоомних монокристалів. Опромінення 1 МеВ електронами зменшу« концентрацію вказаних центрів..

Електронне опромінення слабо впливає на спектри оптичного гасіння фотопровідності (ОГФ) делегованих монокристалів CdS і сильно збільшує ОГ<t в легованих міддю монокристалах.

Більш значне зростання концентрації r-центрів в опромінених CdS: Cu мо нокристалах порівняно з опроміненими делегованими кристалами обумовлені наступним. Власні дефекти, утворені в монокристалах CdS електронною раді ацією, досить рухливі і швидко відпалюються вже при температурах, значш нижчих від кімнатної. Тому Ved та Cd„ утворені електронним опроміненням, і делегованих зразках CdS інтенсивно аннігілюють і концентрація Ved і відповідно, r-центрів (Ved) , зростає несуттєво. Як відомо, Си в CdS монокри сталах може займати як міжвузельне положення, так і знаходитись у вузла, кристалічної решітки. При опроміненні CdS : Cu монокристалів значна частин утворених радіацією Vea може взаємодіяти з міжвузельними атомамиСи, утво рюючи, таким чином, нові г-центри (Сиса) (.які по своїх параметрах близькі д г-центрів (Ved) і, відповідно, концентрація г-центрів, пов’язаних з Си в CdS Cu монокристалах при опроміненні значно зростає.

Дослідження термічної стабільності дефектів, відповідаючих за ОГФ показг ло, що вже після відпалу при порівняно низькій температурі (333 К) спект гасіння фотопровідності значно змінюється. Найменш термостабільними є де фекти, відповідаючі за смугу II (1,4 мкм). Ці дефекти повністю відпалюютьс

при 333 К, в той час, як центри, відповідаючі за смугу І (0,9 мкм), практично не відпалюються. Одночасно з відпалом дефектів, яким відповідає смуга II, утворюються дефекти, відповідаючі за смугу гасіння фотопровідності III (0,78 мкм).

Аналізуючи дані по введенню при електронному опроміненні та відпалі дефектів, відповідаючих за смуги ОГФ 1 та 11 встановлено, що за ці смуги відповідають різні дефекти. Показано, що крім описаних в літературі г-центрів існують Г) -центри, яким відповідає лише одна смуга гасіння фотопровідності Л та г2 -центри, яким відповідає одна смуга II. Порівняння проведених досліджень з літературними даними дозволяє припустити, що дефектами, відповідаючим за смугу ОГФ 1 (0,9 мкм) є атоми міді в кадмієвих вузлах (СисД Дослідження ізотермічного відпалу дозволило показати, що за смугу II відповідають комплекси дефектів, до складу яких входить атом міді. Енергія активації відпалу цього комплексу виявилася \¥=0,65±0,05 еВ.

Опромінення нелегованих монокристалів сульфіду' кадмію електронами з енергією 1 МеВ дозами до 2x1017 см'2 не впливає на спектри поглинання та відбивання світла в області довжин хвиль до 3 мкм. Таке ж опромінення легованих міддю монокристалів Сґ/Б зменшує пропускання світла в усій досліджуваній області стпектру в 2-3 рази, створює дефекти, обумовлюючі широкі смуги поглинання при 0,8-0,9 та 1,4-1,6 мкм та приводить до зміщення краю власного поглинання світла в довгохвильову область спектру. При цьому залежність коефіцієнту поглинання від енергії фотонів світла описується співвідношенням ..

к=коЄхр{-(Е84ісо)/Ео} ( 1 )

де Ев - ширина забороненої зони, Е0 - характеристична енергія, рівна для досліджуваних кристалів 120 меВ.

Поява смуг поглинання в опромінених Ссі8:Си монокристалах пов’язана з утворенням т\ та г2 центрів рекомбінації, а зміщення краю поглинання в довгохвильову область обумовлена утворенням, внаслідок компенсації провідності, хвостів густини станів в забороненій зоні. Внаслідок просторового розмежування хвостів густини станів зони провідності та валентної зони оптичні переходи між ними здійснюються за допомогою тунелювання в полі за-ряжешіх дефектів і форма краю поглинання описується співвідношенням (]).

Внаслідок опромінення швидкими нейтронами реактора нелегованих та ле-

говашіх міддю монокристалів СіїБ відбувається значне (на«0,1 еВ при дозі 10і8 см'2) зміщення краю власного поглинання при збереженні залежності коефіцієнту поглинання від енергії фотонів (1) та зменшення амплітуди розмаху дисперсійних кривих відбивання в області вільних екситонів при незмінному їх положенні та збереженні їх структури. Вказані зміни оптичних властивостей обумовлені створенням при нейтронному опроміненні областей розупорядку-вання, які відіграюють (при дозах опромінення > 10і 8 см-2) вирішальну роль в визначенні цих властивостей.

. Встановлено, що виявлена смуга фотолюмінесценції при 300 К з максимумом випромінювання при 0,504 мкм обумовлена випрміїловальною рекомбінацією вільних А екситонів. Зміни її інтенсивності в процесі відпалу в повітрі чи в вакуумі і при електронному опроміненні пов’язані з змінами густини хвостів станів в забороненій зоні внаслідок зміни концентрації донорних дефектів -вакансій сірки, що викликає зміну часу життя вільних екситонів. .

На основі отриманих при дослідженнях знань розроблено гамма та бета дозиметри з високою радіаційною стійкістю. Для їх виготовлення використовувалися леговані міддю і опромінені 1 МеВ електронами дозами >4х1017 см'2 монокристали сульфіду кадмію. Дозиметричні характеристики у-дозиметрів описуються рівнянням

І=СОиехр(р/кТ) (2)

де С=0,17 і р=0,05 еВ. В координатах (Ід І - 1/Т) дозиметрична характеристика являє собою пряму лінію, яка зміщується паралельно сама собі при зміні інтенсивності випромінювання. Це зручно як при градуювані дозиметру, так і при вимірюванні потужності дози. Свої характеристики у-дозиметри зберіга-ють після їх опромінення дозами до 108 Гр. Дозиметрична характеристика (3-дозиметра описується рівнянням типу (1), але з іншими значеннями коефіцієнтів, та з залежним від енергії опромінюючих електронів показником ступеню.

В другому розділі приведені результати досліджень радіаційно-стимульо-ваних процесів при гамма опроміненні та впливу на ці процеси досконалості структури полікристалічних плівок сульфіду кадмію .

Досліджувані плівки вирощувалися методом термічного напилення в відкритому та в квазізамкненому об'ємі. При вирощуванні в квазізамкненому об'ємі змінювалися температура випаровування матеріалу, температура підкладки при

його осіданні і тип підкладки (діелектрична та провідна). Для вирощування плівок в відкритому об’ємі використовувалася оригінальна технологія, яка полягала в багаторазовому повторенні пошарового (товщина шарів 20-25 нм) напилення плівки з використанням електронно-променевого випаровування матеріалу та проміжної, між напиленням сусідніх шарів, обробки плівки аргоновою плазмою. На відміну від плівок, вирощених в квазізамкненому об'ємі, вирощені в відкритому об'£мі плівки були иизькоомними і нефоточутливими, тому для використання в якості фотоприймачів потребували додаткової оп-тимізації параметрів. За допомогою відпалу в вакуумі чи в повітрі такі плівки ставали високофоточутливими. При такій оптимізації під час відпалу при 600670 К відбувається випаровування атомів кадмію з міжкристалітних прошарків та зменшення в них долі аморфного С(І5 при одночасному утворенні кристалічної сірки. Перекристалізація плівок, яка супроводжується появою значної кількості кристалітів сірки та кристалітів сфалеритної фази, відбува-ється при вакуумному відпалі при температурах 690-720 К.

Дослідження оптичних властивостей полікристалічних плівок сульфіду кадмію дозволили виявити смугу поглинання при 0,58 мкм, за яку відповідають комплекси вакансії та міжвузельного атомів кадмію. Встановлено, що енергія активації відпалу цих дефектів дорівнює Е =(1,40±0,05) еВ, а енергія активації дифузії міжвузельного кадмію на стоки Е2=( 1,00+0,05) еВ, причому коефіцієнт дифузії кадмію підкоряється законові Арреніуса

О=О0 ехр(-Е2/кТ) ( 3 ) при значенні О0=4,74хЮ'4 см‘2/с.

На прикладі плівок СУ/У , вирощених в квазізамкненому та в відкритому об’ємі, досліджено зв'язок між умовами конденсації та їх фізичними властивостями. Встановлено, що при підвищенні температури синтезу плівок сульфіду кадмію в них зростає концентрація вакансій кадмію та зменшується концентрація міжвузельного кадмію. Основними донорними дефектами в плівках СйБ являються міжвузельні атоми кадмію. Показано, що концентрація міжву-зельних атомів сірки, в синтезованих на провідних підкладках плівках, значно нижча, ніж в плівках, синтезованих на діелектричних підкладках а концентрація вакансій сірки та міжвузельних атомів кадмію не залежить від провідності підкладки.

Дослідження впливу гамма опромінення на фізичні властивості плівок СсіБ

дозволили виявити ряд особливостей, які не спостерігалися ні на монокристалах сульфіду кадмію, ні на інших типах плівок. Під.дісю опромінення дозами до 5x103 Гр зростають розміри кристалітів в 1,5-2 рази при одночасному зменшенні долі аморфної фази та появі кристалітів сфалеритної фази і сірки. Подібні зміни структури відбуваються при вакуумному відпалі при температурах 690-720 К, а опромінення проводилося при температурі, не вище 300 К. Виявлене явище тбердофазної перекристалізації при гамма опроміненні дозволило запропонувати один з можливих механізмів ефекту малих доз, який полягає в наступному.

Напівпровідникові матеріали та структури, незалежно від технології їх виготовлення, завжди мають в активній області включення іншої фази у вигляді мікрокристалітів або атомних кластерів, які складаються від декількох до приблизно 103 атомів . Під час опромінення напівпровідникових структур малими дозами ядерних випромінювань можуть відбуватися твердофазні процеси, подібні до спостережуваних в плівках СсІБ. При цих процесах змінюються розміри та орієнтація мікрокристалітів (або кластерів), причому структура цих фрагментів та їх орієнтація намагається бути відповідною до структури та орієнтації матриці. Тому в результаті твердофазних процесів зменшується густила енергетичних станів, генерованих мікрокристалітами та кластерами. Як відомо, такі'стани являються ефективними центрами рекомбінації, внаслідок чого змінюються всі властивості структур та матеріалів, пов’язані в тій чи іншій мірі з рекомбінаційними процесами. Отже, твердофазна перекристалізація може обумовлювати в ряді випадків покращення властивостей напівпровід-никових матеріалів та структур при опроміненні малими дозами іонізуючих випромінювань.

Твердофазна перекристалізація супроводжується суттєвими змінами в спектрах фотолюмінесценції, причому характер та швидкість цих змін залежить від технології вирощування плівок, а отже від наявності в них вакансій та міжву-зельних атомів в кожній з підрешіток та від величини долі аморфної фази. Слід відзначити, що явище твердофазної перекристалізації не було виявлене в матеріалах з меншою долею іонного зв’язку, ніж в сульфіді кадмію ( в тіогаллаті кадмію та в кремнії).

Важлива в технологічному відношенні домішка мідь в плівках сульфіду кадмію здійснює радіаційно-стимульовану дифузію. Показано, що найімовірні-

шим механізмом такої дифузії є дисоціативний. Експериментальні залежності коефіцієнту РСД міді від дози та від потужності дози гамма випромінювання добре погоджуються з теоретичною моделлю, розробленою на основі уявлень про іонізаційно-стимульовану дифузію. Прикметною є лінійна залежність коефіцієнту РСД міді від потужності дози з коефіцієнтом пропорційності с1=6,8х10'п см2/Гр, яка зберігається в інтервалі потужностей дози гамма випромінювання 0,04-3,64 Ґр/с.

З метою встановлення шляхів підвищення ефективносі і стабільності параметрів плівкових фотоперетворювачів на основі сульфіду кадмію проведені дослідження характеру радіаційно-стимульованих процесів в структурах Си-СсІБ в .залежності від способу вирощування плівок С(і$ . Попереднє у-опро-мінення дозою 102 Гр плівок перед нанесенням шару Си дозволяє значно покращити випрямляючі та фотоелектричні властивості структур Cu-CdS і підвищити стабільність їх параметрів по відношенню до зовнішніх факторів. Найкращих результатів досягнено при використанні вирощених в відкритому об’ємі за допомогою електронно-променевого випаровування з використанням іонно-плазмових обробок плівок СйБ . Виготовлені на їх основі структури Си-CdS зберігають свої властивості в якості фотоперетворювачів до доз гамма опромінення 106 Гр, супроти приблизно 104 Гр для плівок, вирощених за іншими технологіями. При тривалому зберіганні такі структури змінюють свої властивості на протязі 6 місяців не більше, ніж на 20-30%, в той час, як структури, не піддані гамма опроміненню, зменшували, наприклад, фото-е.р.с. за перші 24 години зберігання майже на 50%. Стабілізація параметрів структур Cu-CdS пов’язується з наслідками впливу гамма опромінення на плівки СіїБ. Внаслідок твердофазної перекристалізації при опроміненні збільшуються розміри кристалітів і зменшується доля аморфної фази, що приводить до зменшення поверхні межі різних фаз та товщини міжкристалітних прошарків. Обидві ці причини сприяють покращенню стабільності структур внаслідок зменшення швидкості проникнення домішок в кристаліти. Крім того, в структурах Cu-CdS, підданих опроміненю перед нанесенням шару міді, на межі розділу СіБ і Си формується шар, збагачений донорними дефектами, які також сповільнюють дифузію міді і, відповідно, деградаційні процеси.

В третьому розділі приведені результати досліджень власних дефектів і радіаційно-стимульованих процесів при гамма опроміненні в полікристалічних

плівках тіогаллату кадмію. Особлива увага приділяється виявленню умов одержання високостабільних радіаційно стійких плівок. Оскільки дослідження властивостей полікристалічних плівок проведені вперше, то на початку розділу проаналізовано досягнуті успіхи в дослідженнях властивостей монокристалів CdGa£4.

Полікристалічні плівки тіогаллату кадмію вирощувалися в відкритому об' ємі за допомогою електронно-променевого випаровування матеріалу і при використанні багаторазових іонно-плазмових обробок в процесі напилення. Плівки мали n-тип провідності і були фоточутливими до світла з області 300-450 нм. Тип провідності не змінювався ні при відпалах, ні при опроміненні. З метою підвищення фоточутливості та розширення спектральної обласі, в якій плівки фоточутливі, останні піддавалися відпалу в вакуумі та в повітрі. Виявилося, що наявність кисню в середовищі не впливає на зміни властивостей плівок CdGaß4 при їх відпалі до температур 800 К. В інтерваїі температур 300-800 К виявлено три стадії відпалу дефектів, відповідаючих за зміни темнової провідності та фоточутливості. При температурах відпалу 540-640 К утворюються антиструктурні дефекти Cdcа, з енергією активації процесу (0,8±0,1) еВ. При температурах відпалу 640-773 К створюються мілкі донорні дефекти, найімовірніше Ga¡. Енергія активації цього процесу (1,4+0,1) еВ а кінетика реакції першого порядку. При температурах, вищих від 720 К відбувається взаємодія міжвузельного гачлію з вакансіями кадмію, що приводить до утворення антиструктурних дефектів Gau- Всі три стадії відпалу супроводжуються утворенням вакансій кадмію внаслідок випаровування атомів кадмію з плівок.

В відпалених при 773 К плівках виявлено дві смуги ОГФ з довгохвильо-вими межами при 610 та 800 нм. Показано, що за ці смуги ОГФ відповідають антиструктурні дефекти Cda і Gflca- Визначено енергетичне положення в забороненій зоні та рекомбінаційні параметри Cdоа. Завдяки створенню цеїттрів домішкової фотопровідності, якими являються вакансії кадмію, область фото-чутливості відпалених плівок розширюється до 550 ам.

В спектрах фотолюмінесценції плівок тіогаллату кадмію виявлені нові вузькі смути випромінювання при 3,35 еВ (It) та 3,31 еВ (І2). Встановлено, що за ці смути випромінювання відповідають донорно-акцепторні пари [Gfl.-S,], компоненти яких розташовані на віддалі 1,56 нм і 2,11 нм. Визначено енергетичне положення ізольованого акцептора 5„ E=(Ev+0,29) еВ. В довгохвильовій області

спектру виявлені широкі смуги випромінювання від 500 до 1000 нм, за які відповідають донорно-акцепторні пари з широким спектром віддалей між їх компонентами.

Дослідження дозових залежностей темнової та фотопровідностей виявили значне зменшення радіаційної стійкості плівок тіогаллату кадмію після їх відпалу, який використовувався для покращення фотоелектричних властивостей. В той же час, використана технологія вирощування плівок дозволяє одержати матеріал з незмінними значеннями темнової провідності та фоточут-ливості при гамма опроміненні до доз 106 Гр.

Дослідження термостимульованої провідності та релаксації фотопровідності дозволили виявити наявність квазінеперервно розташованих в забороненій зоні біля зони провідності пасток та визначити їх параметри. На основі аналізу літературних даних зроблено висновок про природу відповідних дефектів. Показано, що ці пастки вводяться при гамма опроміненні як недідпаленіїх, так і відпалених плівок CdGaßj. -

При гамма опроміненні плівок тіогаллату кадмію в останніх зменшується концентрація центрів фоточутливості - антиструктурних дефектів Cdca, причому це зменшення тим суттєвіше, чим вища їх коїщешрація. Це може бути однією з основних причин високої радіаційної стійкості невідпалених плівок CdGa^Sj, в яких концентрація центрів фоточутливості незначна.

Дослідження структури плівок тіогаллату кадмію не виявили в них структурних перетворень при гамма опроміненні, подібних тим, які мають місце в плівках сульфіду кадмію. Це також є однією з важливих причин високої радіаційної стійкості плівок CdGa^S^.

При гамма опроміненні в плівках тіогаллату кадмію створюються донорно-акцепторі пари [Са,-*Уі], відповідальні за смуги фотолюмінесценції Ь і Ь, та до-норно-акцепторні пари, відповідальні за довгохвильову фотолюмінесценцію, причому досить ефективно вводяться пари, в яких компоненти розділені на значні відстані. В відпалених при 773 К і у-опромінених дозою 106 Гр плівках з'являється широка смуга інтенсивної фотолюмінесценції, яка простягається рід 500 до 850 нм.

На основі проведених досліджень запропонована енергетична діаграма плівок тіогаллату кадмію, включаюча в себе енергетичні рівні основних дефектів.

В четвертому розділі приведені результати досліджень радіаційно-стиму-льованих процесів під впливом гамма та нейтронного опромінень в кремнієвих діодах, виготовлених з різних матеріалів та різного функціонального призначення.

Незалежно від використаного матеріалу та від технології виготовлення в кремнієвих діодах під час гамма опромінення відбувалося зростання часу життя неосновних носіїв заряду (ннз), якщо його величина була низькою, а дози опромінення не перевищували певної величніш для кожного типу діодів. Покращення рекомбінаційних властивостей р-п діодів з нейтронно-легованого кремнію, виготовлених методом іонної імплантації бору, відбувалося при дозах до (1-2)х102 Гр. Цей же ефект в р-п діодах дифузійної технології має місце при дозах (10-2x103) Гр, а в р-і-п діодах - при (102-2х104) Гр. Запропонована модель іонізаційно-стимульованої дифузії рекомбінаційних центрів в діодах з НЛК з подальшим їх захопленням гетгеруючими дефектами. Виявлена залежність часу життя ннз від потужності дози опромінення, яка описується теоретично одержаною залежністю

т = т0 ехр(0Ф/О) (4 )

та визначені параметри відповідних центрів рекомбінації.

Дослідження відпалу дефектів, відповідаючих за зростання часу життя ннз, дозволило виявити ряд нових закономірностей ефекту малих доз при у-опроміненні.

В опромінених гамма фотонами діодах з НЛК при наступному їх зберіганні в темноті спостерігається довготривале збільшення х. Це збільшення т/іо =(5-6), де т і т0 - часи життя ннз після опроміненя та після наступного довготривалого зберігання в темноті, відповідно. Відпал при температурах 300 - 340 К прискорює цей процес, і досягнення цих же значень т, що і при тривалому зберіганні в темноті, при відпалі при 340 К відбувається за 10 - 15 хвилин. Відпал при температурах до 340 К довгий час зберігавшихся в темноті НЛК діодів несуттєво збільшує т. Викладені факти дозволяють припустити, що процесом, обумовлюючим збільшення т являється асоціація вакансій кремнію (менш рухливих компонент пар Френкеля) з наявними до опромінення рекомбінаційними центрами. Утворені таким чином дефекти являються недостатньо стабільними і відпалюються при 350 - 430 К. Однак, процес відпалу цих дефектів полягає не в простому відділенні приєднаних при опроміненні вакансій

кремнію, а носить, очевидно більш складний характер оскільки при опроміненні у-фотонами кремнієвих діодів, попередньо опромінених та відпалених, як описано вище, не спостерігається збільшення т.

При опроміненні швидкими нейтронами реактора час життя ннз в кремнієвих діодах зменшується при зростанні дози. Відпал опромінених діодів при 340-500 К повністю відновлює т, а подальший відпал при 500-520 К приводить до збільшення г порівняно з т неопромінених зразків на 100%. Така поведінка часу життя ннз після відпалу пов'язана з генерацією вакансій внаслідок відпалу областей розупорядкування та наступною взаємодією цих вакансій з рекомбінаційними центрами, які існували до опромінення.

Високотемпературне (при 870-923 К) гамма опромінення нейтронно-лего-ваного кремнію перед стабілізуючим відпалом дозволяє одержати матеріал, в якому час життя ннз в 5-7 разів перевищує т в НЛК, неопроміненому при високій температурі. Встановлено, що основну роль в створенні дефектів, сприяючих зросташпо т, відіграє іонізація.

Опромінення швидкими нейтронами може приводити до покращення вольт-амперних характеристик (ВАХ) кремнієвих діодів, яке полягає в значному зменшенні зворотнього струму. Таке покращення відбувається в тому випадку, коли т ннз зменшується під час опромінення повільніше, ніж зростає їх коефіцієнт дифузії і спостерігається в р-п діодах при дозах швидких нейтронів до 1013см-2.

Можливість релаксації напівпровідіпікової системи до рівноважного стану внаслідок радіаційно-стимульованих процесів була використана для відновлення параметрів бракованих по зворотньому струмові діодів та для підвищення їх якості і надійності. До 30-40% діодів, виготовлених методом послідовної дифузії алюмінію та бору в кремнієві пластини КЭФ-4,0 і бракованих по зворотньому струмові та маючих нестабільні ВАХ після гамма опромінення дозами (І-З)хЮ3 Гр ставали придатними до використання. Покращення експлуатаційних характеристик відбувається завдяки майже десятикратному зменшенню концентрації глибоких центрів з Е =(ЕС-0,53) еВ та зміні профілю легуючої домішки в базі. Опромінення дозволяє не лише відновити браковані діоди, але і відбракувати потенційно ненадійні. Прискорені випробовування показали, що серед опромінених зменшується кількість потенційно ненадійних приладів. Найвищу надійність мають діоди, відновлені за допомогою у-опромінення до-

зою 8x103 Гр та піддані 10 циклам термоциклювання.

Використання прихованих шарів Бі02, створених в кремнієвих пластинах імплантацією іонів кисню та наступним їх відпалом в атмосфері азоту при 1423К дозволяє підвищити радіаційну стійкість виготовлених на основі такого матеріалу р-п діодів на порядок величини і довести її до радіаційної стійкості р-і-п діодів. Таке підвищення радіаційної стійкості обумовлене добрими гет-теруючими властивостями шару 8і02 та створенням ним полів пружних деформацій, стимулюючих міграцію первинних радіаційних дефектів на стоки.

П'ятий розділ поисв’ячений дослідженню радіаційно-стимульованих процесів в кремнієвих біполярних транзисторах та виявленню можливостей модифікації їх параметрів і відновлення бракованих виробів за допомогою гамма опромінення. Суттєву роль в модифікації властивостей транзисторів відіграє радіаційно-стимульована дифузія легуючої домішки - фосфору. Встановлено, що при потужності дози 3,64 Гр/с коефіцієнт РСД має значення 0=2,27x10'16 см2/с. Коефіцієнт термодифузії має таке ж значення при 1090 К. Залежність коефіцієнту РСД фосфору від потужності дози в кремнії лінійна при значенні питомого коефіцієнту РСД с1=6,6х10'17 см2/Гр, а на основі аналізу літературних даних робиться висновок про дисоціативний механізм дифузії фосфору як найбільш імовірний.

Основні характеристики біполярного транзистора в схемі зі спільним емітером - коефіцієнт передачі струму бази Р і зворотній струм колектора 1к6з виявляються чутливими до опромінення малими дозами гамма фотонів. В залежності від початкового значення, р може при опроміненні збільшуватися чи зменшуватися. При малих значеннях р при опроміненні зростає завдяки звуженню бази внаслідок РСД фосфору. При великих значеннях Р зменшується завдяки зменшенню коефіцієнту лавинного розмноження носіїв в колекторному переході, яке має місце внаслідок радіаційно-стимульованої релаксації системи до рівноважного стану. Незалежно від початкового значення, коефіцієнт передачі струму бази всіх транзисторів після гамма опромінення дозою 103 Гр наближається до значення 100.

Як і в випадку опромінення кремнієвих діодів, за допомогою гамма опромінення дозами (1 02-8х 103) Гр можна частково відновити браковані по зворотньому струмові колектора, по напрузі насичення колектор-емітер чи по обох цих параметрах біполярні транзистори. Опромінення дозою гамма фотонів 1 ОС

Гр найбільш ефективне для відновлення бракованих при одночасному виявленні потенційно ненадійних приладів. Після такого опромінення інтенсивність відмов транзисторів при прискорених випробовуваннях не перевищує 1 %. Основні результати і висиовки.

1. Незалежно від початкового значення провідності, при малих енергіях електронів (Е<7,5 МеВ) домінує механізм дефектоутворення в монокристалах (Ж, пов’язаний з передачею імпульсу від ядерної частинки до атома кристалічної решітки, і їх провідність досягає свого граничного значення (2-5)х] Ой12 Ом^см'1, яке визначається енергетичним спектром пар Френкеля в підрешітці кадмію і якому відповідає граничне положення рівня Фермі (0,77±0,02) еВ. При великих енергіях електронів (Е>7,5 МеВ) суттєву роль відіграє радіаційно- стимульований відпал первинних точкових дефектів, внаслідок чого концентрація пар Френкеля в підрешітці кадмію не стає домінуючою і граничне значення провідності не досягається.

2. Легування міддю суттєво впливає на процеси радіаційного дефектоутворення в монокристалах та в плівках сульфіду кадмію. Це є результатом високого значення коефіцієнту радіаційно-стимульованої дифузії міді, внаслідок чого швидкість введення простих точкових дефектів в підрешітці кадмію для легованих кристалів СйБ зростає в 10 разів порівняно з нелегованими.

Мідь здійснює під дією гамма опромінення радіаційно-стимульовану дифузію за дисоціативним механізмом при взаємодії з високоенергетичними електронами, які виникають при опроміненні. Коефіцієнт радіаційно-стиму-льованої дифузії міді в плівках СйБ прямо пропорційний інтенсивності опромінення при значенні коефіцієнту пропорційності 6,8x10'11 см2/Гр.

3. При опроміненні гамма фотонами 6°Со нейтронно-легованого кремнію дозами до 4x102 Гр в 2,5-3 рази зростає час життя неосновних носіїв заряду. Це зростання т обумовлене радіаційно-стимульованою дифузією наявних до опромінення рекомбінаційних центрів з наступним їх захопленням гетгеруючи-ми дефектами. Розроблена на основі уявлень про іонізаційно-стимульовану дифузію модель задовільно описує одержані експериментальні результати.

Енергетичні рівні рекомбінаційних центрів в НЛК, відповідаючі за зростання т при гамма опроміненні розташовані на 0,36 еВ нижче дна зони провід-ності, а коефіцієнти рекомбінації для електронів та для дірок мають наступні значення: ур=2,1 х ] О'4 см3/с і у„ =0,9х ] О'4 см ’/с.

При одній і тій же дозі гамма фотонів швидкість зростання часу життя неос повних носіїв заряду в НЛК залежить від потужності дози згідн співвідношення т=т0ехр(а/О), де а-параметр, залежний від дози, а Б-потуж ність дози. Ця залежність зберігається в межах потужностей дози від 0,3 ГрІ до 100 Г р/с.

4. При гамма опроміненні фосфор в кремнії здійснює радіаційно-стиму льовану дифузію. Коефіцієнт РСД фосфору прямо пропорційний потужності де зи випромінювання при значенні коефіцієнту пропорційності 6,6x1017 см2/Г] При потужності дози 3,64 Гр/с коефіцієнт РСД фосфору має таке ж значена яке має коефіцієнт дифузії фосфору в кремнії при 1090 К

5. Опромінення легованих міддю монокристалів С(18 чи бар’єрних структу Си-СсІБ дозволяє виготовляти високоякісні прилади з радіаційно стійкими ' стабільними властивостями. При цьому радіаційний ефект проявляється ти суттєвіше, чим більш структурно недосконалим є матеріал.

Опромінюючи С(ІБ:Си монокристали електронами з енергією 1 МеВ дозал 4x1017 см'2 можна одержати фоточутливий матеріал, з високою радіаційно стійкістю, яка забезпечується створенням великої концентрації донорів - дві іонізованих міжвузельних атомів кадмію та компенсуючих акцепторів - атом міді в кадмієвих вузлах. Виготовлені на основі такого матеріалу гамма дозіше ри не змінюють своєї чутливості при у-опроміненні до доз 108 Гр, а бета доз метри - до інтегрального потоку 1018 см'2 1 МеВ електронів.

Поверхнево-бар’єрні структури Си-СсІБ, в яких перед напиленням шару мі проводилося гамма опромінення плівок СйБ дозою 102 Гр мають найкраї випрямляючі властивості та зберігають стабільними свої характеристики протязі значно тривалішого часу, ніж структури без попереднього гамма о ромінення, що обумовлено процесами твердофазної перекристалізації та сте реїшям збагаченого електронами приповерхневого шару. Виготовленні на с нові плівок С(ІБ, вирощених за допомогою електронно-променевого випарої вання з використанням іонно-плазмової обробки, структури Си-СйБ збери ють свої властивості як фотоперетворювачі до доз гамма опромінення 106 І супроти приблизно 104 Гр для плівок, вирощених за іншими технологіями.

6. При опроміненні напівпровідникових матеріалів та структур на їх осн< можливі процеси твердофазної перекристалізації. Ці процеси ефективно п] являються в матеріалах з більшою долею іонного зв’язку (виявлені в пліви

сульфіду кадмію і відсутні в плівках тіогаллату кадмію та в кремнії). Твердо-{іазна перекристалізація проявляється в збільшенні розмірів кристалітів, появі тісля гамма опромінення сфалеритної фази СсІБ та кристалічної сірки. Радіа-дійно-стимульована перекристалізація може бути сприяючим фактором в покращенні властивостей напівпровідникових приладів при опроміненні.

7. При електронному, гамма та нейтронному опроміненні в монокристалах га плівках сульфіду кадмію, створюються нові рівні прилипання з енергіями іонізації (0,44±0,02) еВ, (0,52+0,02) еВ та близько 0,95 еВ. В легованих міддю монокристалах додатково до перерахованих утворюються пастки з енергіею іонізації (0,34±0,02) еВ, які являються асоціацією власних дефектів кристалу з атомом міді. Пастки з енергіею іонізації біля 0,95 еВ являються власними дефектами в підрешітці кадмію.

В полікристалічних плівках тіогаплату кадмію не виникає при опроміненні дискретних рівнів прилітання, а енергетичні рівні пасток розподіляються квазінеперервно біля дна зоїш провідності.

8 Використання при вирощуванні плівок сульфіду та тіогаллату кадмію за електронно-променевою технологією іонно-плазмової обробки дозволяє одержати плівки з високостабільними електрофізичними та фотоелектричними властивостями відносно дії таких зовнішніх факторів, як нагрівання та гамма опромінення. Плівки сульфіду та тіогаллату кадмію не змінюють своїх властивостей при нагріванні в повітрі до температури 540 К, а плівки тіогаллату кадмію - при їх гамма опроміненні дозами до 106 Гр.

9. Смуга домішкового поглинання світла при 0,58 мкм в плівках СсІБ обумовлена комплексом дефектів [Уссі-СУ,]. Енергія активації відпалу цих дефектів (1,4±0,05) еВ. Утворені при відпалі міжвузельні атоми кадмію дифундують на стоки. Енергія активації дифузії міжвузельного атому кадмію (1,00+0,05) еВ, а коефіцієнт дифузії задовольняє законові Арреніуса при значенні параметра Оо= 4,74x10~* см2/с.

10. Основні властивості неопромінених та опромінених гамма фотонами плівок тіогаллату кадмію визначаються антиструктурними дефектами С(іс, та Сяса- Дефекти С(іоа являються центрами фоточутливості, енергетичний рівень яких розташований на 0,5 еВ вище стелі валентної зони, а відношення коефіцієнтів рекомбінації електронів і дірок на цьому центрі дорівнює 1,7x105. Енергія активації процесу утворення дефектів С</оа (0,8±0,1) еВ.

Антиструктурні дефекти С(]Сй та Сд, відповідні за оптичне гасіння фотопровідності з довгохвильовими границями при 610 та 800 нм.

Комплекси близькорозташованих дефектів \Cdafiaaі] відповідають за тем-нову провідність в опромінених гамма фотонами плівках О/СоД*.

11. Вперше виявлені смуги ультрафіолетової фотолюмінесценції в плівках тіогаллату кадмію з максимумами при 3,35 еВ та 3,31 еВ, за які відповіальна рекомбінація на донорно-акцепторних парах [Сд,-^], компоненти яких розділені на віддалі 1,56 нм та 2,11 нм. Енергетичний рівень ізольованого акцептора Б, розташований на 0,29 еВ вище стелі валентної зони.

При гамма опроміненні завдяки радіаційно-стимульованим процесам створюється велика кількість донорно акцепторних пар з різними відстанями між їх компонентами, внаслідок чого опромінені полікристалічні плівки тіогаллату кадмію мають широку смугу інтенсивної фотолюмінесценції в області довжин хвиль 500-850 нм. .

12. Використання гамма опромінення в виробництві кремнієвих діодів та транзисторів являється ефективним технологічним засобом покращення їх властивостей та відновлення бракованих приладів.

Опромінення гамма фотонами дозами (І-З)хЮ3 Гр діодів, бракованих по зворотньому струмові, по прямій напрузі чи маючих нестабільні зворотні гілки на вольтамперних характеристиках дозволяє зменшити брак, щонайменше, на 30-40% завдяки майже десятикратному зменшенню концентрації глибоких центрів з Е =Ес-0,53 еВ та завдяки зміні профілю легуючої домішки в базі діодів.

Опромінення кремнієвих діодів гамма фотонами дозою 8x103 Гр дозволяє зменшити кількість потенційно ненадійних приладів. Надійність діодів, відновлених за допомогою гамма опромінення та підданих термоциклюванню найвища після 10 циклів нагрівання - охолодження.

Браковані по зворотньому струмові колектора, по напрузі насичення колек-тор-емітер чи по цих обох параметрах транзистори можна частково відновити, опромінюючи їх гамма фотонами дозами від 102 до 8x103 Гр. Відновлені таким чином транзистори мають високу надійність.

Гамма опромінення транзисторів дозою 102 Гр з метою відновлення бракованих та виявлення потенційно ненадійних найбільш ефективне. Після такого опромінення інтенсивність відмов транзисторів при прискорених випробовуваннях

іе перевищує 1%.

ІЗ. Характер зміни коефіцієнту передачі струму бази р в схемі зі спільним імітером біполярного кремнієвого п-р-п транзистора під час гамма опромінення іалежить від початкового значення р. При малих значеннях р при опроміненні іростає завдяки звуженню бази, яке мас місце внаслідок РСД фосфору. При ве-шких значеннях Р зменшується завдяки зменшенню коефіцієнта лавинного розмноження носіїв в колекторному переході, яке має місце внаслідок радіа-щйно-стимульованого переходу системи до більш рівноважного стану. Неза,-пежно від початкового значення, Р всіх транзисторів після гамма опромінення дозою 103 Гр наближається до значення 100.

Використання прихованого шару Si02 дозволяє підвищити радіаційну стійкість р-n діодів при їх гамма та нейтронному опроміненні завдяки високій геттеруючій ефективності цього шару.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Галушка А.П.,Давидюк Г.Е.,Мак В.Т. Предельное положение уровня Ферми в облученных электронами и нейтронами монокристаллах сульфида кадмия//ФТП.-1974.-N. 8.В. 11 -с.2219-2221.

2. Галушка А.П.,Давидюк Г.Е.,Мак В.Т.,Куц В.И.,Богданюк Н.С. Влияние электронной радиации на оптическое гашение фотопроводимости в легированных Си монокристаллах С<й7/ФТП.-1975. -Т.9.В.11,-с.2274-2276.

3. Галушка А.П.Давидюк Г.Е.,Богданюк Н.С.,Куц В.И.,Мак В.Т. Изохронный отжиг спектров инфракрасного гашения фотопроводимости облученных быстрыми электронами CdS -монокристаллов, легированных Си//ФТП.-1976.-Т.10.В.4.-С.778-779.

4. Галушка А.П.,Давидюк Г.Е.,Мак В.Т.,Куц В.И.,Богданюк Н.С. Влияние облучения электронами с Е=1 МэВ на положение уровня Ферми в монокристаллах CdS, легированных медью//Изв.вузов. Физика.-1977. -№10.-с. 128-130.

5. Галушка А.П.,Мак В.Т.,Заславский Ю.И. CdS+Cu дозиметр гамма излучения с повышенной радиационной стойкостью//ПТЭ.-1977.- №10.-C.62-63.

6. Мак В.Т.,Манжара B.C. Влияние отжига на фоточувствительность низкоомных монокристаллов CdS//Изв.вузов.Физика.-1983.-№6. -с.67-70.

7. Мак В.Т.,Розенфельд А.Б.,Хиврич В.И. Влияние гамма и нейтронного облучений на рекомбинационные свойства диодов из нейтронно-легированного кремния// Эл.техника. Сер.2. Полупров. приборы. - 1987.-В.6(191).-с.З-6.

8. Залюбинская Л.H.,Мак В.Т.,Манжара B.C. Люминесцентный анализ зависимости состава поликристаллических пленок CdS от условий их синте-за//ЖПС.-1988.-Т.48.В. 1 .-с.54-57.

9. Василевский Д.Л.,Мак В.Т.,Залюбинская Л.Н.,Каракис Ю.Н. - Влияние

малых доз у-излучения на фотоэлектрические параметры полупроводниковых слоев и структур//Сб. Фотоэлектроника.. Киев- Одесса:Выща школа.-1987.-В.1.-с. 31-38. -

10. Залюбинская Л.Н.,Мак В.Т.,Манжара В.С.,Хиврич В.И. Влияние у-облучения на излучательную рекомбинацию поликристаллических пленок CdS //УФЖ.-1988.-Т.ЗЗ.В.5.-С.694-697.

11. Мак В.Т.,Секркт A.A. Влияние у-излучения на кремниевые фотоприем-никиУ/Сб. Фотоэлектроника. Киев-Одесса: Выща школа. - 1988. -В.2.-С. 77-82.

12. Мак В.Т.,Розенфельд А.Б.,Секрет А.А.,Чистяков В.П.,Хиврич В.И. Влия ние интенсивности у-излучения на рекомбинационные свойства крем ния.//Изв. вузов. Физика,-1989.-B.4.-C. 112-114.

13. Мак В.Т. Новая модель эффекта малых доз в полупроводниках/УПисьма і ЖТФ.-1989.-Т.15.В.12.-С. 17-19.

14. Мак В.Т.Чуковский В.Е.,Рахлин М.Я. Твердофазная перекристаллизаци: пленок CdS приу-облучении//ФТТ.-1989.-Т.31.В.9.-с.251 -253.

15. Мак В.Т.,Манжара B.C.,Буковский В.Е. Оптические свойства тонки: пленок CdS, содержащих избыточный С<///УФЖ.-1989.-Т.34.ВД1. -с.1679-1682.

16. Давидюк Г.Е.,Богданюк Н.С.,Мак В.Т..Божко В.В. Фотопроводимост облученных электронами нелегированных и легированных медью монокристал лов CdS ИСб. Фотоэлектроника. Киев-Одесса: Выща школа.- 1990.-B.3.-C.7-12.

17. Залюбинская Л.H.,Мак В.Т. Особенности влияния у-облучення на тонкоп леночные структуры на основе сульфида кадмия.//Сб. Фотоэлектроника. Киев Одесса: Выща школа,- 1990.-B.3.-C.25-30.

18. Мак В.Т.,Буковский В.Е.,Стеценко В.И. Вакуумный отжиг тонких плено CdS IIИзвестия АН СССР. Неорган.матер. -1991.-Т.27.В.З. -с.457-460.

19. Мак В.Т.Чуковский В.Е. Свойства пленок CdS, обработанных аргоново плазмой//Сб. Фотоэлектроника. Киев:Лыбидь,- 1991.-В.4,-с.102-106.

20. Мак В.Т. Радиационно-стимулированные процессы в пленках полупрс водниковых соединений А2В6 //Сб. Фотоэлектроника. Киев: Лыбидь.-1992.-В.5 с.93-101.

21. Мак В.Т. Исследование радиационно стимулированной диффузии фосфо-за в кремнии//жтф.-1993.-т.63.в.3.-с173-176.

22. Мак В.Т.,Ибрагим A.A. Некоторые фотоэлектрические свойства поли-сристаллических пленок тиогаллата кадмия//ФТП.-1994.-Т.28. B.IO.-c.l714-1719.

23. Мак В.Т.,Ибрагим A.A. Исследование природы собственных дефектов

г полшфисталлических пленках CdGa2S4 //Неорган. матер. -1995.-Т.31.В.4,-:.524-526. *

24. Мак В.Т.,Ибрагим A.A. О природе центров ультрафиолетовой фотолюминесценции поликристаллических пленок тиогаллата кадмия. // Письма в ЖТФ. -1995.-Т.21 .В. 18.-C.65-67.

25. Мак В.Т.,Ибрагим A.A. Влияние гамма облучения на фотоэлектрические свойства тонких пленок тиогаллата кадмия//ЖТФ.-1995.- Т.65.В.8.-С. 179-182.

26. Мак В.Т. Зависимость темновой проводимости CdS монокристаллов от энергии облучающих электронов//ФТП.-1996.-Т.ЗО. B.2.-C. 292-295.

27. Мак В.Т. Стимулированная облучением диффузия меди в поликристал-лических пленках CdS .//Неорган.матер. -1996.-Т32. В. 10. -с. 1184-1186.

28. Мак В.Т.,Ибрагим A.A. Влияние термических и радиационных воздействий на свойства пленок тиогаллата кадмия//Сб. Фотоэлектроника. Одесса: Из,-во Астропринт.- 1996.-В.6.-С.59-64.

29. Мак В.Т. Влияние термообработок и электронного облучения на излуча-тельную рекомбинацию свободных экситонов в монокристаллах CdS .// ЖТФ. -1996.-Т66. В.8. -с. 187-189.

30. Галушка А.П.,Давидюк Г.Е.,Мак В.Т. Радиационные дефекты в монокристаллах CdS+Cu, образованные электронами с Е=1 МэВ// Депон. в ЦНИИ “Электроника” №3305/75.-1 Ос. Реферат опубликован в сборнике рефератов депонированных работ ВИМИ “Рипорт”.-1975.-№9.

31. Мак В.Т.,Розенфельд А.Б.,Хиврич В.И. Эффект малых доз при высокотемпературном у-о б луч ении7/Д е по н. в ВИНИТИ №117-В87.-6с. Реферат опубликован в Изв.вузов.Физика.-1987.-№8.

32. Галушка АЛ.,Мак В.Т.,Заславский Ю.А. Способ обработки монокристаллов сернистого кадмия. Авторское свидетельство № 563757. 1977.

33. Залюбинская Л.Н.,Мак В.Т. Способ изготовления гетероструктур. Авторское свидетельство №1452397. 1986.

34. Проничкин В.Д.,Пастернак В.А.,Мак В.Т.,Шлапак В.А.,Секрет A.A. Способ обработки некондиционных маломощных кремниевых диодов. Авторское свидетельство №1547607. 1987.

АННОТАЦИЯ

Мак В.Т. Роль радиационно-стимулированных процессов в модификации свойств полупроводников и полупроводниковых приборов с дефектами структуры.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Черновицкий государственный университет им. Юрия Федьковича, г. Черновцы, 1997 г.

Защищается 68 работ, в том числе 3 авторских свидетельства. В работах исследовались радиационно-стимулированные процессы в моно- и поликрис-таллических соединениях сульфиде и тиогаллате кадмия, а также в кремниевых диодах и транзисторах.

Показано, что при облучении твердых тел ядерными частицами одновременно протекают радиационно-стимулированные процессы, связанные как с передачей импульса атомам кристаллической решетки бомбардирующей частицей, так и с возбуждением электронной подсистемы кристалла. Установлена зависимость интенсивности каждою из этих процессов от совершенства структуры материала, типа химической связи, вида, энергии и интенсивности потока облучения.

Установлена роль легирования в протекании радиационно-стимулированных процессов в полупроводниковых материалах и приборах на их основе.

Обнаружено и исследовано явление твердофазной перекристаллизации прг облучении твердых тел; установлена его роль в стабилизации параметров полупроводниковых приборов и в модификации свойств полупроводниковых материалов и структур.

Исследована природа дефектов, возникающих в результате термического воздействия на сульфид и тиогаллат кадмия и участвующих в радиационно-стимулированных процессах. Предложены непротиворечивые модели наблюдаемых термических и радиационно-стимулированных процессов в полупроводниковых материалах и в полупроводниковых приборах.

Прддагаются способы и методы использования радиационно-стимулированных процессов для повышения радиационной стойкости материала, улучше-

ния свойств полупроводниковых диодов и диодных структур а также восстановления бракованных кремниевых диодов и транзисторов.

SUMMARY

Мак V.T. A role of processes stimulated by radiation in modification of properties of semiconductors and semiconductor devices with defects of structure.

The dissertation for a scientific degree of a doctor in physics and mathematics on the speciality 01.04.07 - solid states physics .Chernovtsy state university, Chernovtsy, 1997

68 research works are defended, including 3 author certificates. Processes stimulated by radiation in mono- and polycrystalline conpounds: CdS and CdGaA, and also in silicon diodes and transistors.

It is shown, that at irradiation of solid states by nuclear particles at the same time processes stimulated by radiation ran, connected with both transformation of a pulse to atoms of a crystalline lattice by a bombarding particle, and excitation of an electronic subsystem of a crystal. Dependence of intensity of each of these processes on perfection of a structure of the material, kind, energy and intensity of a flow of irradiation is established.

Role of alloying in running of processes stimulated by radiation in semi-conductor materials and devices on their basis is established.

Phenomenon of solid phase recrystallization at irradiation of solid states is investigated ; its role in stabilisation of parameters of semiconductor devices and in modification of properties of semi-conductor materials and structures is established.

Nature of defects, which arise as a result of thermal influence on cadmium sulphide and tiogallate and participate in processes stimulated by radiation , is investigated. Non-contradictory models of observable thermal processes and processes stimulated by radiation in semi-conductor materials and in semi-conductor devices are offered.

Also ways and methods of use of processes stimulated by radiation for increase of material’s radiating resistance , improvement of properties of semi-conductor diodes and diode structures and also restoration of defective silicon diodes and transistors are offered.

Ключові слова, тверде тіло, напівпровідник, опромінення, радіаційно-стиму-льовані процеси, відпал, дефекти, структура, електричні, оптичні властивості, надійність.