Влияние радиации на электрофизические свойства и механизм дефектообразования полупроводниковых структур и приборов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ТАДЖИКСКИХ! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

р ^ ^ ОД СпвциалиаироЛакнмй совет Д 0SS.01.04

9 К И'ПЧ 1С0/", На пробах рукописи

и и Гпии Й.1.- УДК 621.382:539.1

ХОДЖАЕВ ТОИР АБДУЛЛОЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЙ ПОЛУПРОВДНИКОВЫХ СТРУКТУР И ПРИБОРОВ

01. 04. 07 - ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

ДУШАНБЕ - 1995

Работа выполнена на кафедре физической электроники Таджикского государственного университета

Научные руководители: доктор технических наук, профессор В.Г.Гафуров,

член-корреспондент Академии инженерных наук России, доктор технических наук Ю.М.ПрохоцкиЯ

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН республики Таджикистан, доктор физико-математических наук И.И.Исмоилоэ

доктор технических наук,доцент кафедры электрофизики Московского энергетического института С.К.Шмелев

Ведущая организация: Московский.научно-производственное объединение измерительной техники

Защита состоится ¿¿¿ОН^Я- 1995 г. р Ю часов

на заседании специализированного Совета Д.065.01.04 при Таджикском государственной университете по адресу: 734025, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Таджикского госуниверситета 1

Автореферат разослан ЛллСХ^Л- 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук, профессор

В.Г.Гафуров

-3 - ' ОБЩАЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕСШ

Актуальность темы. Наметившиеся тенденции шроко использования приборов полупроводниковой электроники в полях проникающего излучения (запуск спутников, работа реакторов и т.п.) приводят к необходимости детального изучения поведения полупроводниковых материалов при взаимодействии с частицами высоких энергий. При таком изучении могут решаться две взаимосвязанные задачи:, физическая-дефектообразование в полупроводниках и практическая--увеличение сроков эксплуатации приборов в этих условиях. Первая приводит к исследованию механизмов образования, природы энергетического спектра урозней, термической стабильности и т.д. радиационных нарушений структуры и влияния этих дефектов на физические, процессы в полупроводниках. Исследуя влияние примесного состава и вида облучения на эффективность введения дефектов можно установить основные закономерности изменения электрических свойств полупроводниковых монокристаллов. На основе этих закономерностей вполне реально прогнозировать поведение'полупроводников« материалов и приборов при воздействии высокоэнергетических частиц. Таким образом решение физической задачи должно привести х решению прикладной, т.е. к повышении радиационной стойкости материалов и приборов на их основе. Одним из основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления элементов электроники (твердотельных микросхем, полупроводниковых Диодов и триодов) в ближайшие годы остается кремний. Это объясняется широкой распространенностью кремния, возможностью получения монокристаллов различной степени совершенства, достаточно широким температурным интервалом работы кремниевых приборов, многоплановостью применения их С твердотельные микросхемы, МДП-структуры, низкочастотные приборы, транзисторы СВЧ и т.п.). Многообразие применения кремниевых приборов предполагает использование кремния с различными электрическими параметрами, определяемыми содержанием легирующих мелких и глубоких примесей. В связи с изложенным кесемне-ный интерес представляет изучение радиационного повреждения кремния и других полупроводниковых материалов от весьма чистЬго до промышленного,'применяемого в производстве серийных приборов с различными содержанием технологических легирующих (Р,В) и «статочных (0,С) примесей, а также кремния со специально введеными глубокими примесями-медью и палладием.

Цель исследований. Целью данной работы является исследование влияния облучения различными видами проникающей радиации на

электрические свойства и .структуры монокристаллов и поликристаллов из кремния и арсенида галлия, использования радиации для обработки полупроводнике вих материалов с целью модификации, их свойств и структуры. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

-Исследование структуры исходных чистых и облучённых монокристаллических и поликристаллических полупроводников; -Исследование электрофизических свойств полупроводников, в частности, изучение проводимости и-¿^Г диэлектрических потерь; -Изучение влияние облучения на подвижность и концентрацию носителей заряда;

-Поучение природы дефектообразования при облучении и спектра их энергетических уровней;

-Исследование возможности терморадиационной модификации свойств полупроводников и оценка эффективности применяемого метода в получении полупроводников с заданными свойствами.

Научная новизна. При использовании совокупности методов -рентгенографии, электронографии и оптической микроскопии показано возникновение нарушений кристаллической структуры при облучении и проведена оценка вклада этих дефектов на электрофизические свойства полупроводников;

Установлено,-что применение различных видов облучения разной энергии дозы приводит к возрастанию проводимости, концентрации носителей тока (основных и неосновных), возникновению радиационное дефектов с различными .энергетическими уровнями;

Показано единообразное изменение электрофизических и других характеристик полупроводников при использованных дозах облучения (малые и большие), что свидетельствует о единой природе механизма образования радиационных дефектов и влияния их на электропроводность си-темы;

На основе изучения изменения электрофизических характеристик полупроводников при пирокой вариации технологической предис-торкл получения образцов (температуры, радиации в различных их комбинациях) произведена оценка эффективности применения радиационной модификации свойств и структуры полупроводников;

Модельными представлениями предпринята попытка объяснить■ возможность наличия к образования радиационных дефектов глубоких уровней.

Практическая значимость. Результаты, полученные' при выполнении дачной работы раеггирягт представления о физических процессах, протекавших в полупроводниках при рздиационно-термических

воздействиях, что позволяет специалистам работающим в этой области в выборе оптимальных технологических условий получения полупроводниковых структур, с целью модификации их свойств. Кроме того они могут быть использованы при создании новых материалов с заданными свойствам, применяемых в атомной энергетике,электронике, в космическом приборостроении и др. областях науки и техники, где полупроводники находят широкое применение. На защиту выносятся следующие положения:

- Наблюдаемые изменения структуры ¿^ в зависимости от условий облучения и технологической предистории их получения;

- Обнаруженные изменения электропроводности и подвижности С^«/*) в зависимости от вида и дозы облучения;

- Возникновение радиационных дефектов структуры и их природа, определение энергии активации обнаруженных радиационных дефектов и их влияние на электропроводность полупроводников;.

- Наблюдаемые изменения подвижности к тийа проводимости & при больших дозах облучения;

- Методика радиационной технологии модификации структуры и свойств полупроводников и оценка ее эффективности.

Материалы диссертационной работы опубликовании в 3 статьях и 4 тезисах докладов.

Достоверность результатов работы лодверждается применением современных методов исследования структура и свойств^полупроводников (рентгенография, электронография, химический анализ, электрофизика, РСГ2) и наблюдающейся корреляцией полученных результатов с литературными данными.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуядались на "Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов" (г.Курган-тюбе, 1951), на семинар-совещании "Радиационные процессы в электронике" (г.Иоскьа, 1992)/'Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов" (г. Душанбе, .

Объем и структура диссертационной работ ь:. Диссертация состоит из »ведения, 4 глав с заклочешнм::, еь-водов, библиографических ссылок и содержит 162 стр., в г эк число 27 рисунок, 10 таблиц и 132 наименований списка литературы.

СОДьРдАДОЕ РАБОТЫ .

Первая глава является литературным обзором, где рассмотрены вопросы взаимодействия проник&кцего излучения с веществом, образование примесных дефектов в полупроводниках, оценка энергети-"

ческих уровней дефектов и времени жизни неосновных носителей тока; влияние радиационных дефектов на подвижность носителей; влияния на электропроводность полупроводников. Из анализа литературных данных следует, что нет единых представлений в вопросах дефектообразования и их энергетических уровней при облучении и отжиге полупроводников. Следовательно требуется проведение дополнительных исследований для определения возможности использования терморздиационной технологии для оработки полупроводниковых материалов и приборов, с целью кодификации и стабилизации их свойств и технических характеристик.

Во второй главе изложены физические основы примененных выбранных методов для исследования структуры и электрофизических свойств полупроводников и их информативность. Описаны методы препарирования образцов и определения микропримесей в них, способы определения подвижности к концентрации носителей, методы измерения электрофизических характеристик полупроводников, рентгено-структурного анализа кристаллов, физические основы метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней(РС1У), краткие характеристики использованной аппаратуры и др. В качестве основного объекта использованы кристаллы арсенид галлий (5»А),п-Ь" -легированный фосфором, система которые были предварительно подвергнуты протонному, нейтронному, электронному и Г- облучению при широкой вариации дозы облучения (Д = 0 * 10^ Рад или 0 * 1(Р Гр). Облучение образцов осуществляли в зоне реакторного излучения, с помощью ускорителей протонов и электронов, а также от источника f- излучений (РХМ - 20).

В третьей главе приведены результаты доследований по изучению влияния облучения на структуру и электрофизические свойства n-Si. С це~о«э исследования влияния облучения на электрические свойства кремния были изучены температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь ijf и электропроводности.

Для облученных образцов наблюдается рост ¿jf, причем изменения iff г / (т) при ¡г- облучении несколько превшают изменения при нейтронном облучении. Увеличение под действием облучения в нашем случае вызвано увеличением электропроводности, обусловленной подвиашостью возникщих радиационных дефектов и носителей. Изиеренные значения ijf совпадают со значениями, рассчитанными из элэктропроводности при постоянном токе. Возрастакйе iff в некоторой степени может быть связано также и с окислением из-за присутствии небольпого количества кислорода в атмосфере азота при облучении.

Изучено влияние облучения на электропродность образцов и исследовано температурная зависимость электропроводности образцов. На основе этих данных построены кривые зависимости электропроводности от обратной температуры, -/(*/Т) .

Из наклона прямолинейных участков 4Ш определено положение уровней дефектов, введенных облучением. В соответствии с полученными данными при облучении & У- лучами (10 Мрад) образуются' дефекты с уровням Ес -0.4 &В, Е0 -0.3 эВ; у- облучение дозой 100 Мрад приводит, к образования уровня дефектов Ес -0.2 эВ. При облучении нейтронами образуются дефекты с уровнями Ес - 0.2 эВ, Ес -0.35 эВ1 и Еу, +0.36 эВ. Полученые результаты показь.зают, что облучение кё проходит "безболезнено" для полупроводниковых систем. При этом также происходит изменение в самой кристаллической решетке. Для выявления уровня структурных изменений в решетке кремния при облучении было исследовано влияние различных доз У - облучения (Д = 0 * 10® Рад) на параметры кристаллической решетки и плотность дилокаций.

Исследования показали, что изменения параметров кубической решетки кремния под действием У- облучения незначительные. Для определения действительного механизма радиационных нарушений было изучено влияние разных доз ¡г- облучения на дефектность структуры исследуемого кристалла. Дислокационная структура выявлялась травлением. Травление выярлкет дислокационную структуру монокрис таллических плдстин кремния. В таблице I приведены данные по изменению плотнрсти дислокации в зависимости от дозы облучения.

Таблица I.'

Плотность дислокаций монокристаллических пластин кремния, облученных У- лучами.

Доза| необлучен. Ю6 | . Ю7 . { Ю8 { 10® Рад

0.202ЛО5 0.343-10® ? 0.423-Ю5!0.475-Ю5 ! ! ! 0,880-Ю5

Как видно из данных таблицы I плотность дилокаций увеличивается с дозой облучения и при дозе 10® Рад возрастает почти в 4 раза; причем нарастание по мере увеличения дозы идет неравномерно. г

В проведенных нами исследованиях, установлено, что до дозы 10® Рад микротрердость образцов растет, а при дозе 10®. Рад резко падает. Видимо облучение У - лучами дозами 10^ * 10® Рад создает

в основном точечные дефекты типа вакансий, которые тормозят движение дислокаций уяё существовавших п кристалле и несущих на себе пластичность. А при дозе 10' Рад появляются достаточное количество дилокаций, которые ответственны зр пластичность кристалла.

Для того, чтобы подтвердить измёнение дефектного состояния кристалла с изменении доза облучения, была произведена также Лауэ съемка монокристаллических пластин кремния, облученных равными дозами.

Фотометрирование рентгенограмм показало, что с ростом дозы облучения растет полуйирина фотометрически* кривых лауэвских отпадений и соответствующих им диффузных максимумов ( У/2). Извес-нс, что за возникновение диффузного рассеяния ответственны главный образом ракансии и дислокации. Некоторое несоответствие степени изменения и V/2 можно отнести к тому, что вклад з диффузное рассеяние еносят и тепловые колебания атомов, которые могут несколько затуиеват1 эффект диффузного рассеяния, вносимого дефектами структуры кристалла.

Таким образом, можно сделать вывод, что облучение кремния Г - лучами дозами до Д = 10 ® Рад вносит множество структурных дефектов, таких как вакансии и дислокации. Однако такая доза поглощенного излучения незначительно изменяет параметры элементарной ячейки,-следовательно не создает болеесильных дефектов, таких как промежуточные (междоузелькие) атомы, либо эти же де -фекты отжигаются, так как они ¡более нестабильны уже при температурах, при которых-.происходит'облучение.

3 связи с большим интзресом, проявляемым в радиоэлектронике к системе полупроводник-металл, были приведены исследования различных физических свойств системы & -Ж . Изучено изменение структуры з ой системы в зависимости от разных доз У - облучения. Проведемте электроиографические исследования системы^-Л1 показали, что напыленный алюминий не является полностью кристаллическим; часть его остается в аморфном состоянии, значительно увеличивая осций фон электронограммы. Напыляемая на монокристалл алюминиевая пленка поликристаллична и немного текстурирована. На эси.срании проведенных исследований можно сделать следущиз-1аклсче:'ия: I. После облучения система ^ -Ж Г- лучами отслаи-ва.:-/.?. металлической глеики от подложки не наблюдается; 2. С ростом дозы обручения увеличивается дефектность кремниевой подложки, о "-¡ем "ридетельст^ует ускрение лаузлятен; 3. Особенно сильно изменяется структура поверхностного слоя подлогки, с которым нспосредсгвс.:;:э контракт тирует металл,причем структура ее от

дозы облучения меняется немонотонно; 4. Окисная пленка, покрывающая поверхность кремния, по-видимому, очень стойкая, так как в вакууме, где напылялся металл, она не восстанавливается и не снимается ионной отчисткой, которая предшествует напылению алюминия; 5. Структура алюминиевой пленки совершенствуется с повышением дозы У- облучения, но при этом все время остается поликристаллической.

Для кремния, легированного фосфором; большими интегральными дозами облучения измерение р производились как в процессе облучения, так и через 4-6 часов и 1-2 суток после облучекчя и проводимого изохронного отжига облученных образцов при Т=450 К. Одновременно измерялись холловскал подвижность носителей тока. По данным измерений во всех исследованных образцах величина Р возрастала в процессе облучения, стабилизируясь при этом на уровне ^-Ю4 См-см, и только при Ф> 10^ см-^ наблюдался ее дальнейшей рост.. Через 6 часов после облучения значения р возрастали и уже стабилизировались на более высоком уровне Ом-см. Указанное возрастание значений / возможно было связанно с медленным охлаждением облученных большой дозой образцов в вакуумной камере. Экспериментальные зависимости ,/> для Т = =300 К, полученные через 1-2 суток после облучения и после проведения отжига, представлены на рис. I. Следует отметить, что до отжига образцов наблюдаемый резкий спад значенийпроисходит без перехода в область. отрицательных значений, т.е.' конверсия типа проводимости как бы ье происходит.Это связано с уменьшением парциальных подвижностей как электронов проводимости, так и дырок. Наличие до отжига совокупности дефектов с заполненными глубокими акцепторными уровнями затрудняет анализ указанны.-; экспериментальных зависимостей. Поэтому такой анализ проводился для упрощенного случая отоженнкх Е - центров, когда единственными дефектами с глубокими уровнями, определяющими изменение электрофизических свойств материала' при комнатной температуре, является дивакамсии. При этом зависимости р , для тигельного и зонного материалов совладают и последняя кз них соот .-ветствует ка наличии конверсии типа проводимости. Как видно из рис. I. начальные значения ? соответствует дрейфовой подвижности электронов, проводимости (/Л*). Отрицательные значения /'»(Ф) при достаточно больших 0 соответствуют очевидно уменьоакпейся с ростом Ф подвижности дырок (). В этом также убеждает возможность единой для всех материалов экстраполяции отрицательных

ил 10"

10'*

jO's io' Ф С«-*

JO'S К)!*

rv.c.I. Экспериментальные дозов^е зависимости изменения j>ia) и б) для п-креиния с исходным f, См-см: I-ICG, 2-IC, 3-1. Светлые индексы - зонный материал, теьшые индексы (наыера со ытркхамк)- тигельный материал. Индексе! в кру-хзчкях и цунктир - данные после отжига лр:'. 1=450 К. £,(!;-кзыекенле постоянной Холла для материала I после отжига., Mr»- аппроксимация дозозой зависимости подвижности дырок. Сблучение протонаж с Е = о.З МэБ.

значений зависимостью вида

при Ф0 = 2-Ю1^ см"^ и начальном значении = 450 см^/В для Т = 300 К. В дальнейпем экстраполяция (I) считается экспериментальной зависимостью и используется в обработке данных. Анализ зависимостейу(5) необходимо проводить на основе общих уравнения для случая проводимости

- (2) Использование значения Е^ = 1.09 э'В для Т = 300 К дас т значение Я/ = Чпр' = 1.25-10^ см~° для собственной концентрации. Если в достаточно хорошем приближении Г„= гр = Г ввести (для облученного материала) безразмерные параметры

•

то экспериментальная величина С/еЧ. будет связана с искомыми значениями р.Ь в соотнопением

Зависимость (/ ) для набора возрастающих значений £ соответствующих уменьшающимся р/> , приведена на рис.2.

Конверсии типа проводимости соответствует специфическая зависимость К (Ф). Сначала значения Я возрастают, достигая максимума, затем уменьшается и переходят в область отрицательных значений (рис.1). Из (4) на основе дифференцирования следует, что макси'г.'му Л соотретствует значение

' ' ТзТШТ ^

Отсюда находится взаимосвязь Ы. ( / ), которая с использованием зависимости (I) позволяет найти значения р по крайней мере в точках максимумов величины Ы. . Пс дачным для тсех удельных сопротивлений используемых материалов, наш: были получены две экспериментальное зависимости, см. рис.3.

-- Г/ - 0.02 ) Э& (б) ..

т 1 —?

где Е^ = 1.09 зЗ и = ЮАА см" . Она указывает на.уменьше-

ние кир'лны запрещенной зоны кремния при облучении и она может

быт аппроксимирована выражен/ем

' - (?) .

при значении >) = 0.5 + 0.7 см"* и рассчитываемой величине у** _ = р(Ы,141350 см2/3-е для Т = 300 к!

Рис. 2. Рассчитанная взаимосвязь величины А = Ц/щ , ¡1 = р/щ

при заданном значении параметра Ь = Мп IМр > -измеряемая смешанная концентрация носителей тока,-значение собственной концентрации. •

Рис. 2. НаРдешше из расчетов дозовые зависимости изменения кочцонтса-яэ?. электронов '.и) л «%~ох (р) и эирикм залреаенной зоны кре::-:ил 'а) поел? стж;га ггл Т = = 4с,С л облученных образцов. Обозначения соответствует рис. I.

На основе полученных экспериментальных зависимостей были найдены дозсвые зависимости " (5), Р (Ф) концентраций электронов и дырок в исследуемых материалах, приведенные на рис.3. Лэ последнего видно, что с ростом Ф эти зависимости соответствуют р-типу проводимости с предельным значением р ?=• 10^ см"^, согласующимся с данными для нейтронного облучения особо чистого кремния. Расчитанные дозовые зависимости для положения уровня Ферми, отсчитываемого от дна валентной зоны:

В',-К- ь,1<Р)-кТб>(К/тг) (8)

также приведены на рис.3. Видно, что сростом 0 уровень $ерми опускается и стабилизируется в предельном положении Е +(0.40 -0.45} эВ независимо от исходных параметров исследуемого материала.

Проведенный анализ полученных зависимостей -л и р (0) показал, что они удовлетворяют уравнению электронейтральности типа

ЫГР-Г,Тп * 7^75,]

при 3 * Ш см- и условии, что значения ¡2,- , определенные по формуле

«А1-(Ю)

рассчитываются для исходных стандартных положений уровней лдива-кансии Е; -0.27 эВ, Е^ -0.54 эВ, Е'^2 = Ес -0.42 эВ, с учетом дальнейшего уменьшения глубины их залегания на величину йЕр -Е(Ф) опускания дна зоны проводимости. Еачичина Достается в о та/ случае неизменной. Если однако, не принимать указанного уменьсени л глубины залегания уровней, то значения "Сбудут быстро уменьшаться с ростом Ф. -Такое уменьшение связано с тем, что если в исследуемых материалах присутствует углерод (занимающий узловке положения) в концентрации порядка 10^ см-0, являющийся основным стоком для генерируемых междоузельных атомов кремния, то с его истощением будет возрастать аннигиляция одиночных вакансий и образуемых из них комплексов, Поэтому накопление дивакансий будет происходить по экспоненсиальному закону с уменьшение скорости та введения. По-видимому на скорость накопления и электрическую активность дивакансий могут влиять оба указанных процесса: уменьшение ширины запрещенной зоны кремния при облучении и увеличение аннигиляции вакансий и состоящих из них комплексов.

при достаточно больсих 5, когда выполняются условия для п-гУЙ^Г. =(Ев т)/2 = Еу +0.41 зВ, что согласуется с по-

лученным предельным положением уровня'Ферми. Это служит по?вер:«-

донием тоге,,что дивакансии в качестве наиболее глубокого принадлежит акцепторной уровней Ес -0.54 эВ. На его наличие указы-раят также и полученнгй вид экспериментальных зависимостей /($)-дс стхига б облученных образцах содержатся междоузельные комплек-,сь- типа И -Р6 - центров, вводимые со скоростью ^ близко!1, к ^у которые могут иметь наряду с акцепторным -Ес -0.4 эВ симметрично расположенный донорный уровень -*Еу +0.4 эВ. Наличие последнего "яооводит к заметному повыленип предельного положения уровня Ферму.. к это в свою очередь увеличивает захват электронов провода-кости на глубокие акцепторные уровни, из-за чего происходит более крутой рост зависимостей />(.$) и одновременно увеличивается предельное значение Возможно по этой причине и зависимость

имеет более сильные, что и приводит к уменьшению экспериментальна аначенир. до нуля и ненаблюдаемости конверсии типа проводимости.

Проведен- анализ полученных результатов собственных исследований у. литературных данных о спектре энергетических уровней ди-вакансий в образцах кремния, т.е. исследовали образцы полученные способами зонной и тигельной плавки, затем подвергнутые легированию, облучению к температурному воздействию. Измерения параме-трог проводимости производили при раздельном и одновременном воздействии теютературы отжига и облучения в различных последовательностях (см. табл.2 и рис.4).

Таблица 2.

Доаовые зависимости энергетических уровней дивекансий в полупроводниковых материалах.'

у тип ! Ф ! Еуг.г

материала ! Ю12 см"2 см~* эВ ! эВ

I зонный ! 0.5 11.5 6'. 54 ! 0.42

2 тигельный ! 0.5 II.8 0.54 ! 0.42

тигельный ? 1.0 II.0 0.5С . ! 0.42

4 тигельный ! 1.5 10.0 0.52 ! 0.41

Как видно из данных табл.2, дяя материалов, полученных методами зонной и тигельной плавки наблюдаются энергетические уровни приписиваемые дивакансии с энергиями ЕК1*С.54 эВ и ¿Е„уО.42 пВ. С ростом дезы облучения (электроны, протоны и г- излучения) уменьсаетея глубина залегапчя уровней и скорость введения дивакансий что связано с изменениям характера подвижности и концентрации носителей тока при облучении. Первый акцепторный уро. -

Рис. ^ Экспериментальные зависимости иЕ^м)

для зокккх гатериалоз с Р , Ом-см: 1.2,а -40, 3.15 - I, обл>ценных дезами прогонов с энергией б.ЗНэЪ, см'2: I - МО13, 2,- 3-Ю13, 3 - 7-Ю^4, 4 - МО1®. Светлые индексы - измерения с отжигом, текныа индексы - измерения после оттяга при Т=450 К облученные образцов. Температурил интервал измераниД на тстнэм тзяг. Т=250 * 450 .-: з ¿агом ¿1=12.5°, горизонтальные линии-полсхения акцепторных уровней дефектов •

вень дивакансии находится практически точно в середине запрещенной зокны кремния (или даже ниже ее), а второй близок к положению Е -0.44 эВ. Из проведенного анализа следует, что отжигу Е - центров возможно предшествует отжиг дефектов а акцепторным уровнем ~ЕС -0.36 эВ, которые могут являться $*'-Р6 - центрами. Зависимость *1{Ъ'р) после отжига Е - центров при Т = 450 К соответствует наличию двух акцепторных уровней »Ес -0.4 эВ и >ЕС,--0.5 эВ у остающихся дефектов, заполняемых электронами проводимости с примерно равными скоростями 7„= 12 Таким образом, из проведенных исследований следует подтверждение ранее полученного для дивакансии спектра энергетических уровней. В соответствии с данными рис.4 в облученных материалах проявляются акцепторные уровни, лежащие на глубине Ед = 0.38,.0.405, 0.43^ 0.495, 0.52 эВ. Из них более достоверные уровни Ес -0.43 и Ес -0.52 эВ, которые мсгут быт приписаны дивакансии, а уровень Ес -0.46 эВ Е - центру. Акцепторный уровень Ес -0.52 эВ'наблюдается методом ■РСТБ и был отнесен там к неиндетифицированному поверхностному дефекту. Меньшая глубина его залегания по сравнению с ожидаемой может быть связана с отмеченной выше возможностью сужения запрещенной зоны кремния при облучении. Исследования положений глубоких уровней, лежащих вблизи сёредикы запрещенной зоны, затруднены необходимостью использования очень больших доз облучения, при которых может резко падать скорость введения соответствующих дефектов. По этой причине возможно и не удается наблюдать активацию существующих наиболее глубоких уровней дефектов.

Исследования наказали, что в области низких температур наблюдается сильное уменьшение холловской подвижности носителей тока, которую связывают;с введением многозарядных кластеров и их специфизическими свойствами, перекрытием полей пространственных зарядов, образованием случайного крупномасштабного потенциального рельефа. Все указанные объяснения предпологают неоднородное по объему и заряду распределение введенных радиационных дефектов. Не отрицая приведенных факторов влияния на дрейфовую подвижность, укажем еще на две причины приводящие к ее изменению:

1) блокирующее действие слабоэкранированных полей заряженных радиационных дефектов ЗРД) в сильно компенсированном материале;

2) эффект "прилипания" носителей на дефектах. При очень больших доаах облучения материала уровень Фермы опускается и занимает предельное положение вблизи середины запрещенной зоны. В этом случае акцепторные (и донорные) уровни большого количества дефектов оказываются незаполненными вследствие истощения свободных

носителей тока. Поэтому оставцаясся их часть может двигаться под действием внесшего поля с "прилипанием" на дефектах, т.е. скачками. Возникает ситуация аналогичная рассматриваемой в теории перескоковой проводимости, когда при достаточно низких температурах ( Т^Ю К) уровень Ферми оказывается выше энергетического уровня доноров, сильно компенсированных акцепторами, имеющими глубокие уровни.

В главе 4 приведена результаты исследований по радиационной технологии изменения свойств полупроводниковых структур и прибороп. Радиационная стойкость полупроводниковых приборов зависит ст стабильности основных электрофизических свойств полупроводниковых материалов. При разработка метода высокотемпературного облучения исследовались кремний и германий п- и р-типа. Образцы облучались электрона™ с энергией 1.7 МэВ при определенных температурах в интервале Тобд * 600°С. Исследовались изменения электрофизических и фотоэлектрических характеристик при облучении и отжиге. Основные результаты представлены на рис.о.Исследование стабильности дефектов, ответственных за результаты рекомбинации, по отношению к отжигу при 600°С показало, что дефекты, введение облучением в интервале температур 29 * -300°С з v- Si и 20. + 400°С в р- Sí , иалостабильны (доля оставшихся после 10-минутного отжига при 600°С дефектов составляет 555). При более высоких температурах облучения число стабильных яри 600°С дефектов резко возрастает. Устойчивые при 600°С дефекты, ответственные за изменение концентрации носителей заряда, вводятся при температурах облучения более 500°С. Все изменения параметров, введенные облучением при температурах выше комнатной, стабильны з течение практически неорганиченного вгзмени при температурах близких к комнатной.

С технологической -точки зрения значительный иитерее представляло исследование зависимостей скоростей введения электрически и рекомбинационно активных дефектов в кристаллах кремния р-типа с различными удельными сопротивлениями Яри облучении а температурном интерзале 20 * 150°С, характерном для работы иаго-товлечнух на основе кремния приборов. С этой целью были проведены эксперименты на креиния (марки КДБ-I, КЦ&-7.-5, КЭ5-1, 5-:разенксм по Чсхральскоку. Образцы облучались электронами с энергией 3.5 Ifaa. По начальным участкам розовых ¿зависимостей изменения кок-ентрации основных носителей заряда и центров ;^комбинации зачислялись константы деградации Н^ и Kn/f). Результаты '.'РВДсгавленкыэ я таблице 3,4 'сэ::детельс?вуэт о том, что измене-

ние температуры облучения от 20 до 150°С приводит к значительным изменениям констант деградации К^ , Кр. Видно также, что вариация температуры облучения позволяет реально изменять электрические рекомбинациокные свойства материала. Например, максимальное изменение концентрации дырок в кремнии с р = £ ОМ.см. достигается облучением при~50°С, а центров рекомбинации при-Ю0°С.

Таблица 3.

Зависимость константы деградации времени жизни неравновесных носителей заряда от температуры облучения.

! - Д{ < • Юу см*.с = I

Т05л.°С Г КДБ-1 ! КДБ-7.5 ! КЭФ -I ! КЭФ - 25

20 1.0 3^.0 11.0. 10.5 .

50 3.2 3.0 13.0 • 4.5

80 3.6 1.56 8.0 6.0

100 5.3 2.2 15.С 6.25

'150 4.0 4.0 6.5 5.1

Таблица 4.

Зависимость константы деградации концентрации носи-

телей заряда (К,)-от температуры облучения.

т ^ °с' см"1 .' к« • см-1

обЛ. ^ КДБ-1 ! КДБ-7.5! КЭ®-I ! КЭФ - 25

■ 20 9.6 24 - 0.08 0.01

50. 53 : 8.4 0.06 0.01

80. 48 10 ■ - - 0.03

ТОО 22 8.4 0.073 0.02 ""

Щ) 9.2 5.0 0.125 0.013

Предлагается- повысить стабильность характеристик кремния путем облучения кристалла электронами или Г- квантами в сочетании с отжигом, причем доза облучения должна составлять частиц/см , а температура отжига 740 - 1070°К. Облучение и отжиг можно вести1 как одновременно, так и порозн, причем в последнем случае отжиг (870-920°К в течение 1-2 час) следует за облучением, проводимым при комнатной температуре.

Выращенные кристаллы полупроводников содержат значительное число примесей.'к дефектов. Наличие этих примесей определяет многие важные для работы полупроводниковых приборов параметры мате-

риала, такие как-: концентрация свободных носителей заряда (п(р)), их подвижность {/О, время жизни носителей заряда ('С), ксайи-центы поглощения света на различных длинах вола и пр.

Рис.5. Изменение концентрации носителей заряда в кремнии п и р-типа в зависимости от температуры облучения... Доза облучения см-^. Энергия электронов 1.7 ¡¿эй.

тгу о

— -Значительное содержание углерода (М*. ~ 7.4-10 см } определяет эффективность перестроек кислорода в$£ и вызи?с.ет дополнительные реакции в кристалле-матрицы. Учитывая.что концентрация примесей О и С, а также легкруодкх примесей ( бор, фосфор и др.) а кристаллах кремния превышают придел растворимости в условия* производства и эксплуатации полупроводниковых приборов, олядует ожидать неконтролируемых изменений их состояний в кристалле, а следовательно, и неконтролируемых изменений пабаШгрЗё иатериала и приборов. 3 частности, изменение йонцентршй'кислорода и углерода приводит к нестабильности параметре а "яда полупроводниковых ярибороз на основе кремния«

Состояние криитахг.а можно приблизить к 'более равновесному путем стимулирования замороженных при высаживании реакций с помощью либо облучения электронами с энергией 0.5-20 ЦэВ, либо ¡Г--кзанталм с псследуяцаы высокотемпературным отжигам (570"К для

кремния, длительность отжига при этом составляет 1-2 час и определяется скорость отжига и выходом процесса на стационар) .либо облучением сразу при повышенной температуре. При облучении идет эффективное взаимодействие простейщих дефектов (вакансии и мездо узлий) с примесями, растворенными в кристалле, границами раздела. Значительную суммирующую роль при этом играет ионизация прк облучении. В результате происходит перестройка примесей, декорирование границ, и кристаллы по многим параметрам меняют свое состояние в сторону большей стабильности своих свойств, и свойств изготовляемых на его основе полупроводниковых приборов. Неравновесные дефекты, также возникающие при облучении, могут быть уда-лени термическим отжигом. .

Полученные результаты иллюстрируют возможность вызвать необратимые перестройки примесей облучением кристаллов высокоэнергетическим частицами к тем самым воспрепятствовать самопроизвольной их перестройке при создании и эксплуатации полупроводниковых приборов. ' •

ВЫВОДИ

На основе изучения влияния проникающей радиации различных видов и энергии на структуру свойства и механизм дефектообразова-ния сделан следующие выводы:

1. Установленно, что с увеличением дозы облучения наблюдается изменение параметров кристадической решетки, накопление и рост концентрации дефектов, облучение вызывает изменение в концентрации, подвижности и времени жизни носителей заряда.

2. Из температурной -зависимости электропроводности определено энергетическое положение уровней дефектов при этом установленного

а) облучение У-лучамк дезой 10 Мрад приводит к появлению уровней дефектов С,4 эВ и 0,3 эВ; Г- облучение дозой 100 Крад приводит к образованию уровня дефектов Ее~ 0,2 эВ

б) при облучении нейтронами образуются дефекты с уровнями Ес- 0,2 эВ, Е*- 0,35 эВ к Еу* 0,36 эВ.

3. На основе анализа расчетных и эксперементальных результатов и у.у. сравнения сделано заключение о том что при облучении кремния происходит уменьшение ширины запрещеной зоны вследствие возникновение допольнитепышх акцепторно-донорных уровней. Происходит захват носителей на эти уро.<ни, что приводит к увеличение удельного сопротивления, падению подвижности носителе?..

4. С увеличением дозы облучения п-кремний переходит в р-тип

Ч

ТОО

проводимости с предельной концентрацией дырок IG • см . Уровень Оерми при. этом опускается ниже середины запрещенной зоны и в случае отоженкыэ: димеждоузлиЯ и Е -центров занимает -тре-дельное положение S (0,40 - 0,45) эЗ.При облучении происходит сужение запрещенной зоны кремния. В случае его облучения протонами с энергией 6,3 !1эВ при комнатной температуре велечине этого сужения выражается зависимостью вида:' Ej{5) =£j - 0.0 где 5 - доза облучения, '50 * 10^

5. Дзучену спектры DITS (частотное сканирование)кремния при разных температурах, проведен расчет энергии активации. Его значение составляет - 0,23 эВ, что соответствует дефекту Е -центра. Облучение большими дозами протонов с энергией 6,3 МэВ приводит к образованию в Si двух глубоких акцепторных уровней Ес - 0,43 эВ и Ес - 0,52 эВ. После отжига Е - центров при Т =

= 450 К обнаружены уже более мелкие уровни Е - 0,23 эВ и Е„ -

0.4.эВ. °

6. Предложен метод повышение стабильности характеристик кремния путем облучения электронами или гамма квантами в сочет-тании с отжигом. При этом доза облучения должна составлять I0id-10 частиц/см , а температура отжига 740 - 1070 К. Облучение

и отжиг можно вести одновременно и порознь, причем з последнем случае отжиг 870 - 920 К в течение 1-2 час. Следует за зблу -чением, проводимым при комнатной температуре.

ОСНОВНОЕ СОДгРДШЕ-даССЕРТАЩИ ОПУБЛИКОВАНО В СДЩЩЙХ РАБОТАХ:

1. Ходжаев Т.А. Некоторые переепективы использования ускорителя электронов в народном хозяйства Тадж. ССР. Б кн.: Материалы республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Таджикистана. Кургак-тюбе: I9SI* с. 28.

2. Ходжаев Т.А. Радиационные дефекты з арсениде галлия» В кн.:Ра-диационнке процессы з электронике. Москва: 1952. с. 34-46.

3. Ходяаев I.A. Определение изменения подвижности сопротивления кремния иод действием радиации. Б кн.: "Апрельской научно-теаре-тической конференции профессорско-преподавательского состава". Душанбе: 1994. с. 102.

.. Ходжаеь Г.А., Гафуров З.Г. 0 структурных особенностях тонкой (П1лС). Ь сб.: ¿изйкс-химические свойства веаества. Выл. 2, Душанбе: IS9tj. с. 1В4-1сЗ.

5. Ходжаэв Т.А. Влияние v- облучения ка структуру системы ^i'Ml

В сб.: Физико-химические свойства вещества. Бып.2, Душанбе. IS95. с. 69-71.

6. Ходхаев Т.А. Определение энергии активации глубоких уровней методом релаксационной спектроскопии. В кн.: Материалы конференции "Координационные соединения и аспекты их применения." Душанбе, 1995. с. 51.

7. Ходжаев Т.А. Исследование влияния Х- излучений на электрические свойства кремния» В кн.: Материалы конференции "Координационные соединения и аспекты их применения". Душанбе. 1995.

с. 67.

ЗАКАЗ 700 ТИРАЖ 100 ОВЬЁМ 1,25 П Л ПОДПИСАНО. К ПЕЧАТИ 17 05 95 г ДУШАНБЕ ПЕРВАЯ ТИПОГРАФИЯ