Высокоомный кремний для детекторов ядерных излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



ЮССШСКЛЯ АКАДЕМИЯ КАУК

деШО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ и*. А. Ф. И0ФФ2

ВЫСОКООМНЫЙ КРЕЗШШ ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИИ (ТЕРМО- И РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ)

(01- 04-10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кзндидага физико-иатенэтических наук

г

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Михайлович

УДК 621. 315. 592

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в. Физико-техническом институте ии.А-Ф.Иоффе Российской Академии ньук.

Научный руководитель:

кандидат физико-матечатичэских наук В- К. Еремин,

Официальные оппоненты:

дсктср физико-математических наук Р- Ф. Коноплева,

доктор физико-математических наук А-А. Лебедев.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Защита состоится "17-" Шър^^СЛ 1335г. в ЛЬ часов на заседании специализированного совета К-003- 23.01 в Физико-техническом институте им. А- О. Ио$фе по адресу 194021 Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26-

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ.

Отзывы на автореферат в даух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "/3 " , ¿¿лХ-Р'И^__1995 г-

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фиклко-иагемзтических йаук

Г. С. Куликов

- з -

ОЕЦАЧ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В ядерной спектрометрии в последнее время все б-о^ее дкро-кое применение заходят полупроводниковые- детекторы ионизирующих излучений. Несмотря на успешное использование в последние года бинарных полупроводниковых соединений, s также алмаза, основными материалами для создания таких детекторов до настоящего времени остаются ыонокристаллчческиз gí ив«, причем развитие идет е направлении получения все более высскоомного. совершенного по структуре материала. В релении этой задачи доминирующий ранее способ компенсации, материала путем дрейфа ионов ы успешно дополняется получением особочиптых материалов, обладающих исходно высоким удельным сопротивлением. Последнее направление делает материал весьма чувствительным к последующей технологии изготовления полупроводникового детектора.

Создание пленарных приборов на основе внсокоомного si связано с трудностями, обусловленными его чувствительностью к высокотемпературным воздействиям, отсюда, работа с конкретней маркой материала требует поиска оптимальных техно/сгических и конструктивных вариантов...

Воздействие ядерного излучения на иолуироводникоЕые детекторы является обязательным в силу их назначения. Традиционным являлось изучение деградации на пучках ускоренных иоков с энергией I-í-З МэВ, имея в виду применение детекторов в ядерном микроанализе. Последнее повышение интереса к этим вопросам, в особенности к нейтронному воздействию, связано с проблемой использования кремниевых детекторов в адронних калориметрах для экспериментов lio исследованию фундаментальных процессов в.'ьшодействик частиц сверхвысоких энергий.

Псътому настоящая диссертацчокная рвбота, направленная на решение задач адаптации высокооидого особочистого кремния v /питая пленарной т&хноло1"ЯИ л условиям работа при яекйбеаних радиационных воздействиях является актуальной.

Целью настоящей работы явилось ссслэдованке уермичеокей стабильности вксокоомного кремния и Боэдействгч различны.; еиц;->:< жесткого излучения на детекторы на его оснсш. Экгсперименуи вк-

1

поганены о применением высокочувствительного метода емкостной релаксационной спектроскопии Соответственно, в задачи

работы входят- вопросы изучения термических и радиационных дефектов, развития методических возможностей техники ш.ть и практических рекомендаций в отноагэнии изготовления и использования кремниевых детекторов.

Для выполнения поставленной цели были сформулированы конкретные задачи:

- провести сравнительный анализ термостабильности 1феыния, выращенного методами зонной плавки и Чсхральского;

- сравнить спектры радиационных дефектов, возникающих в детекторах из высокосмнсго креиния после воздействия «-частиц, дейтронов и нейтронов;

- определить роль фоновых примесей (о, с ) при дефектообра- : зовании в выоокоомном кремнии;

- исследовать влияние термических. и радиационных дефектов ча характеристики непосредственно детекторов;

- развить методические особенности применения техники и-тс к детектором различной структуры;

- еыявить специфику исследования детекторов с высокой концентрацией точечных дефектов.

Научная нсвизка-

1. Проведено исследование термостабильности высокооыного кремния в слабо изученном диапазоне теиператур ( ^ ЮОО°С ) й длительностей ( от 1*2 часов до десятков не ) термовоздействий. Установлено, что основным глубоким центром (ГЦ), определяющим терноотгОильность при воздействиях, характерных для пленарной технологи? получения . детекторных Р+-,,-.1+-структур, является уровень Е, -0,1)5 эВ.

2. Исследованы радиационные дефекты (РД) е нияней половине .запрещенной зоны, сяязакше с углеродом. Показано, что скорость отжита РД, обусловленного ие^доузельным углеродом, существенно чаыгент от технологии изготовления детекторов на основе зонного кремния. Впврше покеьано <;ак«е. что в процессе оужвга после радиационного воздействия ьлекгричоски неы:пюный углерод мокет цьвйходить э электрически активное состо.'гвие, оо^азул комплекс

3- На основе сравнения экспериментальных данных по концентрации образующихся дефектов и приращению обратного тока диодных структур после облучения а-частицамя и осколками деления и

расчетных данных по моделированию радиационных позразденгай установлены особенности образования, перезарядки и диссоциапга пар Френкеля для указанных воздействий.

4. Впервые методой оьти исследованы РД, ¿возникающие в п-ьч при облучении дейтронами с непрерывным спектром по энергии 0*900 кэВ, что характерно для задач ядерного микроанализа. Проведено сопоставление возникших дефектов и изменения обратного тока детекторов. Показано, что изменение обратного тока не коррелирует с отжигом РД. Предложена формула для оценки концентрации дефектов для случая малой глубины их залегания.

5. Разработана новая методика исследования дефектов в переходах из .высокоомного кремния, облученных большой дозой «-частиц, нейтронов в методе Dlлs. Режим с предьинжекшей (ргр-оьте) поззоляет заполнять основными носителями заряда уровни в верхней половине запрещенной зоны кремния в тех случаях, когда в стандартном режиме этого не происходит.

Практическая значимость

1. Результата работы указывают, что терыодефечты, возникающие в условиях пониженных температур окисления и малых длительностей термовоздействий, не вызывают существенного ухудшения объемных свойств кремния. В целом термостабильность зонного кремния по сравнению с Чохральским выше, и оптимизация технологического цикла данного материала позволяет обеспечить наличие в объеме единственного уровня ес-0,55эВ , с концентршщей меньше 3*10° си-3.

2. Для детекторного кремния при мажх дозах воздействия определен! численные коэффициенты повревдаемосаи по току для «-частиц, дейтронов и осколков деления, что позволяет прогнозировать радиационную стойкость детекторов дли данных излучеьий.

3. Возрастание обратного тока детектора при воздейстгии «-частиц, дейтронов и нейтронов може? сыть существенно снижено в результате низкотемпературного ( ^ 150 °С ) отгига. Последующий

отжиг при более высоких температурах (I50+400 °С) на приводит к заметному снижению тока. •

4. Установлены особенности использования метода галэ применительно к структурам На основе высокоомного 51. При этой введен критерий выполнения корректных оьтз измерений, показана связь ".ножных" пиков оьте с особенностяш конструкции планзрных детекторов. Предложена модификация метода оьтз (ррр-шлз), которая позволила исследовать РД в сильно облученном материале.

5- Показано, что линеэлизущим параметром при измерении основных характеристик детекторов является напряженность электрического поля. Это позволило раздельно определять всю совокупность параметров (время жизни носителей в плазме трека, скорость рекомбинации на границе ач-п-йх и в р+-слое. толщину входного окна), характеризующих потери заряда при формировании сигнала в детекторах.

Основные положения, выносимые на зьщиту.

1. Независимо от способа получения кремния температура тер-мовоэдгйствия вблизи 1000 °С является критической с точки зренил стабильности возникающих цзнтрсв. Формирование структуры дефектов, определяющих электрически активные глубокие центры, происходит на стадии термического окисления. Основным глубоким уровнем, определяющий термостабильность высокоомного кремния в диапазоне температур 900+1000 °С, является уровень Ес-0,55 эВ. Кроме того, в разных марках. наблюдается конкуренция в возникновении данного уровня и уровня с энергией активации Ес-0,45 эВ.

2. После радиационного воздействия в нижней половине запрещенной зоны крешгик при комнатной температуре происходит перестройка связанных с углеродом дефектов. При малых дозах она осу-Щ|?ствллется по механизму реакции первого порядка. Скорость зтой перестройки в материале, выращенной зонной плавкой, зависит от технологии изготовления детектора.

3. Низкотемпературный отжиг детекторов- облученных «-частицами дозой, большей Ю9*см~г, при тешературе 75 °С позволяет отхачь до 70?! вызванного облучением генерационного тока. При этом уменьшение тока не связано с отжигом наиболее глубокого расширенного дефекта - Е-цектра. Низкотемпературный сткиг тока

сопровождазтся перестройкой ■ нестабильных при комнчтной температуре радиационных дефектов, в частности, полиостью отжигается мевдоузельннй углерод.

4. Предложено использовать в качестве критерии пртаеягмостк метода ¿ьтз к р+-п-структурем линейный ход зависимости высоты пиков в спектрах шлх от напряжения смешения в степени -3-'2. Зто подтверждает равномерное распределение концентрации глубоких центров, постоянство эффективной площади выпрямляющего контакта, отсутствие влияния сопротивления Сазы и потенциального барьера у омического контакта на измерения релаксации барьерной емкости перехода.

5. Релаксация емкости, связанной с периферией р+-»-пзре~ хода в шикарном детекторе, приводит к появлению ложных- пиков в спектрах оите,' то есть не связанных с глубоюши уровнями (ГУ) в запрещенной зоне материала.

6. Наличие ГУ в низшей полоззнз запрещенной зоны кремния позволяет заполнять основными носителями заряда глубокий центр» располагающийся вше уровня Ферми в п-базе путем предварительной инжекции дырок- Это неравновесное состояние сохраняется время, достаточное для измерения сигнала пьтх. Тачой подход позволил обосновать новую модификацию в методе ы.тв ).

7. Возможен режим, при котором в условиях протекакня тока через р+-п-переход для случая, когда концентрация глубокого цен-ара превосходит концентрацию легирующей принеси, непрерывное изменение барьерной емкости, связанное с термическим выбросом носителей с глубокого уровня, сменяется, переходами от одного установившегося состояния к другому, определяемому величиной температуры, тока и глубины залегания уровня. Х'емпарятурная зависимость емкости в таких условиях мотсет Сыть использована для определения глубины залегания уровня.

8. Основ'зш параметром, олрэ^елкзоцта деградация детекторов под действием *.ест^их излучений является объом.чо? время жизни-Парамптр, хьрактеръ-зущий перифэрию р+-п--пер^хода (тоязегаэ мертвого слоя) не меняется при воздействие короткспробеясшх час, т.-Физически обоснована и развита методика дифференциации ооъешш ч поверхностных составляющих потерь заря^п при регистрации ¡астчц.

Апробация работы- Результаты работы докладывались на v проблемном семинаре "Физика и технике полупроводниковых детекторов" (Гатчина 1990); на v Всесоюзном совещании по материаловедению и физико-химическим основам получения легированных конокристаллов кремния (Москва 1990); на I национальной конференции "Дефекты е полупроводниках" (С-Петербург 1992); на Меадународной конференции "Ядерные и космические радиационные эффекты" (Новый Орлеан 1992); на I Международной конференции "Широкомасштабные применения и радиационная стойкость полупроводниковых детекторов" (Флоренция I9S3).

Публикации- По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, список которых приведен в конце автореферата-

Структура и объем работы- Диссертация состоит из введение пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работа составляет 20G стр., в той числе страниц машинописного текста - 134, рисунков - 43, таблиц - 1С. библиография ~ I5S наименования на 19 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТН Во введении обоснована актуальность темы, , сформулированы цели я задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость выполненных исследований, перечислены основные положения, выносимые на затгиту.

Первая глава посвящена обзору литературных данных по механизму действия полупроводниковых детекторов (ПД) я изучению глубоких центров (ГЦ) в кремнии, включая методики их исследования.

Сложившиеся ранее научно-технические направления» полупроводниковая спектрометрия v дефекта структуры (радиационной л термической природы) интенсивно развивались последние десятилетия, пэрекрываксь лишь в области радиационных дефектов. 3 последние года для детекторов на основе si оказалась весьма важной проблема дефектов термической природы- Это вызвано ыироким приложением возможностей планарной технологии применительно к специально разработанному si с минимальным содержанием примесей и высоким совершенством структуры.

В начала главы описан принцип действия ПД- Отмечается, что основная его характеристика - разршзщэя способность по онер-

таи - ограничивается флуктуациями преобразования энергии частицы (г-кванта) в peгиcтpíфyelíкй сигнал. Указаны, согляско Иъ механизмы флуктуации собираемого заряда как фундаментального характера, так и определяемые детектором. Последние проявляются в потерях переносимого неравновесного заряда. Как правило, эти потери связаны с наличием ГЦ, скоплений примесей. Дчлее, ь параграфе I проведено сравнение основных разновидностей кремниевых .детекторов« поверхностно- барьерных, пленарных, получаемых методом дрейфа ионов лития.

Во втором параграфе дан обзор по дефектам, возникающим в кремнии при термических и радиационных воздействиях.

При термовоздействиях, близких к режимам пленарной технологии, в эх могут образовываться структурные дефекты и их комплексы. Возникновение высокотемпературных термодефектов может Аыть связано как с процессами, происходящими в объеме, так и на поверхности кристалла.

Одной из наиболее распространенных примесей, которая проявляет себя при высокотешературных .воздействиях, является примесь железа.

В с 2,31 были обнаружены центры донорной природа с глубиной залегания Ес-0,264 гВ и Ес-0, 542 эВ. Несмотря на большое число исследований, в литературе не установился единый гзгляд на природу этих дефектов.

Радиационное дефектообразование имеет отличительные особенности по распределению дефектов для различных видов радиационного воздействия. Например, нейтроны, кулоновски не взаимодейст -вуя с атомами кремния, не тратят энергию на ионизацшо и могут передавать ее атомам отдачи в количествах, достаточных для. образования разупорядоченных областей. Эти скопления дефектов проявляют себя иначе по сравнению с точечными изолированными дефектами £ 41.

В этом параграфе проведен обзор по дефектны, н&блюдаешм в ьч после воздействия различных видов радиации. Показано, что меньшее внимание уделялось дефектам, дающим уровни в нижней полевике запрещенной зоны (33) в частности,- езязант* с углородом.

Далее представлены данные по взаимодействия дефектов в

1

- iO -

кремнин со специально вводимыми примесями (редкоземельные элементы, щелочные металлы, водород) с целью повышения устойчивости кремния к различным, видам воздействий-

В конце главы прочодится сравнительный анализ емкостных методов исследования ГЦ в полупроводниках, как обладающие высокой .чувствительностью и возможностью автоматизации. .Наиболее перспективным развитием емкостных методов исследования дефектов явился метод dlts <51. Вместе с тем, применение метода dlts встречает рад трудностей, в частности, возможно перекрытие dlts пиков, возникновение ■•ложных" пиков.

В диодах из еысокоомного полупроводника важное значение при емкостных измерениях играет последовательнее сопротивление базы. Соответственно, в 16) указаны частотные ограничения по применению еиюстйых методов.

Начиная со Еторой главы, где рассмотрены методические аспекты применения емкостных методов к р+-п-переходам на оснозе высояоомного кремния, излагается оригинальная часть диссертационной работы.

При создании dlts установки учитывалась специфика измерений на высокосмшх образцах. В этой связи использовались аппаратура и блоки, позволившие работать на относительно низкой частоте изме-' рительного сигнала - 100 кГц. Программа управления установкой с помощью ЭВМ предусматривает возможность одновременного набора 10 спектров за один проход по температуре. Программы обработки результатов позволяют определять параметры ГЦ и по форме dlts пика i7i и по смещению пиков dlts при различных положениях стробов i5).

В работе использовались планэрние . и поверхностно-барьерные (ГО) структура на основе отечественного и зарубежного материала.

В этой связи в четвертом параграфе рассматривается влияние на емкостные измерения наличия потенциального барьера на тыловом контакте. Такая ситуация характерна для ПБ структур. Показано, что линейный ход зависимости высоты пиков в спектрах dlts от напряжения обратного смешения в степени -3/2 является критерием корректного применения dlts метода к типовым р+-г«-структурам.

В пятом параграфе представлены данные, объясняющие возникновение "лежных" i>l::; пиков, связанных с расширенным электродом.

как правило, присутствующим в пленарных структурах- На основе анализа вольт-фарадных характеристик и зависимости величины сигнвле о^тб от напряжения смещения объяснено воз!шккове1ые пиков не вызванных наличием Щ ч н обусловленных присутствием а исследуемых образцах МДП-емкости параллельной барьэркой емкоета основного р+-п-переходе. Использование напряжений смещения на структуре большего напряжения инверсии МДП-емкости позволяет .устранить подобные пики, что, однако, затруднительно яри снятии профилей концентрации ГЦ в объеме детектора.

Вторая половши главы посвящена исследованию р+~"-структур о высокой концентрацией ГЦ (превышающей концентрацию мелких доноров). Для наблюдения уровней дефектов, расположенных выше уровня Ферми, было предложено в методе м-тя штользовать новый режим с предварительной инжекцией неосновных носителей - нрь-омй Использовались структуры из высокоомного кремния, облученные а-частицами и нейтронами, так что концентрация ГЦ превосходила концентрацию мелких центров. В стандартном режиме ш-т^ (для наблюдения уровней в верхней половине 33 XI) такие дефекты, как А-центр (Е.-0,17 эВ); не наблюдаются в спектрах Однако, ош!

четко проявляются при измерениях (5 предъишеекцией (рп'-шлу). Объяснение эффекта было дано в рзмках дзухурознввой модели, я которой для упрощения описания можно свести систему радиациошшх де^ктов.

Согласно ей во Еремп пмпульса продьинжеиции дырки из р+-<х»-ласти проникают в п-ооласть и захватываются на глубокий донорьлй уровень, расположенный в нижней половине 33. При этом резг^о возрастает емкость структуры.

Если после инкекщи дырок включается обкчшй реаага ы.тч. емкость будет релакейревять к первоначально»? величине, однако эрем.ч этой релаксации будет весьма продолжитевьным - десятки секунд. Во время каждого мдаульов заполнешя происходят затягиззчаа электронов из Сааы- Электроны будут рекомбинировить с захвачекныни на глубокий донор дырками и одновременно заполнять уровень Е -0. 17 эБ. Зта шг56кцяп сро'ючнну н./оителей поднимает юэзиуровень <берш; для злоктроггл. "го позволявг наблюдать сигнал лк от »ром:я К. -0,17>В.

Bo второй половине параграфа теоретически рассмотрена яере-зсрядка одного ГЦ при отсутствии захваченного заряда дырок. Показано, что менад Ееллчину тока через р+-п- переход, можно гибко, управлять заполнением уровней. При этом возможно подбором тока и температуры реализовать состояние, когда емкость структуры перестает зависеть от напряжения. Это является следствием саморегулирования напряженности поля (трансформация линейного от координаты изменения в экспоненциальное). Рассмотрено, как этот эффект может быть использован для определения глубины залегания уровня и его концентрации.

В третьей главе проведен анализ термостабильности кремния, используемого для создания пленарных ПД.

Большинство исследований термических дефектов в кремнии связано с задачами микроэлектроники, поэтому ранее изучалось поведение при термообработках сравнительно кизкоомных материалов.

В начале главы проведено сравнение термостабильности различных типов высокоошого si (полученных по методу Чохральского (as) и зонной плавкой (fz)) в области относительно малых температур .£1000 °С и длительностей процессов, а значит, в отсутствии специальных длительных геттзрируадих режимов,. направленных на создание в объеме яикродефектов, являющихся стоками неконтролируемых примесей и первичных дефектов.

Методом dlts исследовались ГЦ в структурах с барьером металл - полупроводник и в готовых планерных структурах. Выявлен набор основных уровней термодефзктов, возникающих в технологическом цикле изготовления планарных детекторов. Это ыЛ (Ес-0, 55 эВ, 3*I0~15 ci/2), 01.2 (Ес-0,45 эВ, <г = &*10~16 см2) и r>L3 (Ес-0, 4 эВ, 3 см2). Отмечается конкурентный характер возникновения дефектов к преобладающая итоговая роль dlI.

Есзникновеше ГЦ да связано с загрязнением объема полупроводника неконтролируемым! пршесями. Это подтверждают эксперименты по одновременной термообработке (ТО) различных типов кремния, в результате которых спзитрк dlts для mix существенно различаются.

НгСлвдаемая трансформация гя/боких уроаней (ГУ) термодефек-Tot, может-быть объяснена в рьмках представлений, развитых в i8i.

Формирование основного ГУ шд можно рассматривать согласно модели образования глубокого точечного центра с отрицательной корреляционной энергией, связанного с реконструированным ыевдоузельяки атомом 21. Возникновение такого дефекта происходит при нарушении гр"- гибридизации в упругом поте никродефектов, вводимых ч кристалл при ТО. 1огда появление ГЦ оьЛ и сьз логично связать г, дефектами типа оборванных связей. Такое предположение подкрепляется образованием этих уровней при нестационарном воздействии на кристалл (фотонном отжиге). В целом термостабильнооть кг-зх оказива-ется выше, что позволяет в рамках существующей технология обеспечить наличие в объеме единственного уровня иь! с концентрацией < 3*10® см-3-

В конце главы приведены результаты исследования генерационной активности термодзфектов. Основной ГЦ гяЛ имеет сечение <.- >> о и для оценки генерационного времени жизни можно воспользоваться формулой тъ = (ут\ - концентрация центра. Полученные данные показали хорошую корреляцию обратного тока и концентрации ГЦ С1Л.

Четвертая глаза поевлщека исследованию радиационных дефектов (РД) в еысокоомком кремнии после воздействия различных видов излучений. В качестве исходной принималась картина дефектообразова-ния на о-часгицах. Другие виды радиационного воздействия сравнивались с результатами на »-частицах-

Параметры ГЦ, а также структура спектров 'Л-тэ после облуче--ния а-частпцэки совпадает в целом со спектром, наблюдаемым при облучзьии электронами. 3 спектрах пьтз присутствовали пики, принадлежащие А-центру К1-Ес- 0,18 зЗ, верхнему и нижнему уровню ди-ваканеш •:• Е-цеяру 0,22 ->В и Е4-2,- 0,40 эВ- Для уточнения

параметров пика 23-Ес~- 0,29 эВ (фосфор - ыеядоузельчь'й углзр-д) было использовано машинное моделирование. Урезки в ниядай половине 33 связаны с углеродом: 0,33 эВ (ыеялоузьлмтый углерод) и н2-Еу+ 0,40 эВ(пара меидоузельный углерод - кеждоу^льн^й кислород, С. ^ )• 8 результате исследований не нрблтдалосг существенного различии в образования ГЦ в зависимости от исходного материала (ссдеркгчви: кислорода) или технологии изготовления приборов.

д

Процесс возникновения РД принято разделять на две стадии. Б первой при взаимодействии едерной частицы с кристаллом ьч образуются первичные дефекты: вакансии и междоузлия. На второй стадии эти первичные дефекты, взаимодействуя с примесями и дефектами структуры, образуют вторичные дефекты-

Для первой стадии было выполнено сравнение экспериментальных данных по концентрации образования вторичных вакансионшх центров (А-центр, дивакансия) и расчетных данных по количеству образующихся вакансий при взаимодействии ¿»-частицы (Е=4 МзВ) с кристаллом 51 (при пороге дефектообразования 40 эВ). Проведенный анализ показал, что большая часть образовавшихся пар Френкеля рекомби-нирует путем возвращения выбитых атомов ^ в "свои" узлы. При этом механизм захвата согласуется с моделью кулоновского взаимодействия (с учетом перезарядки в плазме трека )0компонент пс.ры и с численным значением критического радиуса - 35 А (меньше которого рекомбинация неизбежна).

Для второй стадии образования дефектов было показано, что при не слишком высоких интенсивностях облучения, экспериментальным результатам отвечает ситуация, когда все возникающие вакансии (которые не рекомбинировали со "своим" атомом зх) участвуют в образовании дефектов, а не рекомСинируют с мевдоузлиями. В этом случае эффективность образования А-центра слабо зависит от концентрации кислорода.

Облучение детекторов нейтронами в де^ах, когда концентрация ГУ сопоставима с концентрацией легирующей примеси, выявляет отклонение а полозке кк! пика Е4 в спектрах млк. Математически показано, что чри условии ыг - нм (концентрации глубоких и мелких-центров, соответственно) пик в спектре оьтк сместится в сторону низких температур по сравнению со случаем N << Однако, основной причиной смещения гаков следает считать проявчение характерных для нейтронного воздействия разунорядоченгал областей.

В ходе п'.тг, «г,следований детекторов облученных нейтронами, з ряде ооразцов не наблюдалось наличие А-центра. Однако измерения. зыгюлпашшо в режиме с предъикжекцией Очт-тл'-;), позволили ^гч> олнаруашть и показал* равномерный объемный характер распределения А-ЦМНТрк-

- <5 — .

При исследовании детекторов» облученных дейтронат спектр дейтронов формировался путем рассеяния их первичного пучка (энергия частиц 900 кэВ) на мшпеви из тантала. Для определения котщен-трации РД было сделано допущение, что вводимые при облучении дефекты распределены равномерно в слое толщиной 10 мкм и, таким образом. занимают лишь часть области пространственного зарядч. Тогда для глубокого акцептора в верхней половике 3?:

Vм« = (Сс-Ф

здесь Сс, Сн. - стационарная, начальная к геометрическая слся толщиной о) емкости,соответственно. Для глубокого донора в нихнэй половине 33 было получено аналогичное выражение:

Облучение дейтронами осуществлялось в диапазоне доз от 10 до 7,5*1011 сыТ*. Моделирование процесса взаимодействия дейтронов с атомами кристаллической решетки показало, что перекрытие областей формирования первичных дефектов происходит по всей дефектной зоне при дозах > Ю10 см"2. Особенности отиига РД в образцах, облученных дейтронами, объясняются с учетом возможного образования сложных комплексов на основе первичных пар Френкеля-

Приведены результаты исследования поведения уг.перодсодержа-щих РД в ¡И'-г.-отрукгурах на основе еысскоомкого пооле облу-

чения о-частнцйш. Отжиг центра' н! (С±) характеризуется реакцией 1-го порядка, однако скорость ее оказывается существенно различной для исследуемых образцов- В табл. I приведены параметры, определяющие скорость отжига дефекта Щ для образцов, изготовленных из различных' материалов. Анализ разных вариантов окислительного процесса показал, что введение кислорода в высокоомньЛ при длительном высокотешературном окислении ускоряет процесс оттега дефекта н1. Наряду с этим обнаружено, что и после полного отжига С1 наблюдается рост концентрации дефекта и2 (С. - ).

Таблица I

Обра- р, кОм _'] Концентрация примесей, си т, V

зец см о с: с ■ эВ

I 5 3*Ю1Н 3*Ю10 ........ I, -З'Ю'1 (Т= [9 °С) 0 75

2 I 4+ТО115 2. 4*10*' (Т-50 °С) I. 03

В пятой главе прэдотсвлены данные по исследованию изменения хер&ктаристЕх ПД под действием ядерного излучения. На основе анализа изменений всльт-ямпершх зависимостей облученных детекторов усгздоьлено- что з ходе низкотемпературного отжига ISO °С) отжигается большая часть избыточного обратного тока, вызванного ра-диашюшшми нарушениями. Этот ток не определяется для детекторов, облученных о-частицзми, образованием наиболее глубокого в n-si рд

- Е-центра (который при дозах облучения > Ю10 см-2 возникает в малых количествах), т. к. отжиг этого центра не коррелирует с от-етгом тока- Низкотемпературный отжиг тока сопровождается отжигом центра Ct.

Для детекторного кремния определены коэффициенты приращения обратного тока при облучении «-частицами и дейтронами (4,5*10~8 на и ICf8 нА на частицу, соответственно).

Установлено, что не наблюдается ухудшения энергетического разрешения (за вычетом вклада шумов) прецизионных детекторов, по крайней мере, до дозы дейтронов $ 10й см~г.

В конце глави описывается предложенная методика раздельного измерения основных.параметров кремниевых детекторов, определяющих каналы потерь заряда при торможении заряженной частицы.

Дефект ашлктуда а в общем случае можно выразить в виде суммы двух члзнов. Первый из них описывает независимые от поля потери энергии во входном окне и заряда в полупроводниковом мертвом слоэ рабочего объема детектора. Второй - управляемая полем компонента рзконбинациокных потерь в области контакта трека с поверхностью и ь рабочем объеме. Построение зависимостей -Еремя существования плазны) при фиксированных углах падения «-' чзстиц позволяет определить эффективное время жкзнн в объеме трека т* к де.7ес при однородном времени жизни носителей в плазме грека г определяются эффективная скорость рекомбинации в р+~слое

- s* для пленарного детектора (скорость рекомбинации на границе ли- n-si - для Т)Б детектора) и т.

Приложение описанного алгоритма к исследованию типовых детекторов быявляэт основные достоинства пленарных в сравнении с п2 детекторами. Это подавление канала поверхностной рекоибинацта и. боле« высокое время жизни носителей в плазме трека.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I- Проведено сравнение теркостабильноста кремния, ксгсльзуе-мого для изготовления планарных детекторов, получаемого методом зонной плавки и по методу Чохральскою. Выявлен основной терчо-дефект - 01.1-Е -0,55 эЗ, определяющий тзр*юстабильносгь и обладающий генерационной активностью. Показано также, что данный дефект мохет наблюдаться без парного ему -О, '¿.' эЗ. Кроме того, в разных марках креншя наблюдалась конкуренция в возникновении ьЫ и уровня оь2-Ес-0, 45 эВ. Установлено, _,то обладает в целом более ексоксй термостабильностью, достаточной для создания пленарных детекторов с малым вкладом в обратный ток генерациончо-рекомбинационнах процессов.

2. Выполнено сравнение радиационных дефектов, возникают?« в выоокоомноы кремнии после воздействич «-частиц, дейтронов, нейтронов. Показано, что низкотешературнай отжиг «150 °С) позволяет отжзчь большую ч&сть нрирглцения обратного тока, связанного с радиационным воздействием.

Зо Подробно исследован радиационный дефект, связанный с месдоуэсльным углеродом. Установлено^ что отжаг этого дефекта в происходит в соответствии с реакцией первого порядке, а ее скорость зависит от технологии изгетозлэы'я детектора: Одновременно происходит уменьшение тока утечки дотекгера, вызванного облучением. При этом впервые пиказакс, что образующийся е резуль ■тате откига дефокт с^ -о, продотеът увеличивать свою концентрацию и после полного отжига меядоузельнсго углерода, "те называет на существ^ваач.-* последнего в электрически неактивном состоянии, не'наблюдаемом мстг.дом х.

4. Методом ^ьть исследован спеА';гр радиа^юнш:: дефектов после последовательного о&цучанит дейтредами. Пре цло.чэя,ч процедура обработки данных для определения кониентрз;.^ радиационных дефектов дпл ядерных частиц с малыми нробегеми. Срахзнение э^гек-'.•ивноста отлета обрчтяьх токов н радиационных дэ|«кто9 для «-частиц и дейтронов выявило специфику г сследньх-

5. Для полуие:ия достоверной информации предложено тестировать исследуемые структуры. Линейная завлсимсоть едсотк тыков с га гч; язмерг.'шях от ндпряденцк смещения «а образце в степени -3/2

служит критерием применимости метода di.ts к р+-п-струхтурам из шсокоомного кремния. Установлена и объяснена связь кежду ложками шками olis и наличием расширенного электрода в пленарных детекторах.

о. Впервые в методе dlts применен режим измерений с предыш-декцпР.й с «--!• p-DLTSi, который позволил наблюдать радиационные дефекты, располояекные вьтае уровня Ферми в запрещенной зоне оильнооблученкого зысокооаного кремния. Эта методика помогла обнаружить А-ценгр в объеме si в нейтронно облученных детекторах с различней концентрацией кислорода.

7. Показано, что при преобладании в базе глубокого центра барьерная емкость р+-п-г.ерехода в условиях протекания тока через переход пропорциональна полной концентрации перезаряжаемого уровня и не зависит от напряжения. Уз температурной зависимости емкости возыонно определение глубины залегания уровня и его концентрации-

8- Предложена и развита методика измерения параметров, определяющих. потери энергии и заряда в кремниевых детекторах. В рэ-зультате были дифференцированы такие характеристики, как толщина входного ок.ча, скорость поверхностной рекомбинации, объемное время низни. Методике позволила определить распределение эффективного иремени имзчи в объеме трека при наличии неоднородной кмгцеьтрашы радиационных дефектов. Основное результаты диссертации изложены в работах: I. Яремин 3. К-, Иваноз А. М-, Строкан Н- 5. Особенности барьерной емкости р+-'1-структур в режима инжекции " . ФТП- - I9S7. - Т. 21. - В. 2. - С. 291-2952. Еремин В.К., Иванов А-М.- Строкан Н-Е., Шокая» Е- В- Об ис-гользоп^нки кремниевых структур типа М-П-М в методе ем-котюЛ спектроскопии глубоких уровней ✓✓ ФТП. - 1563. - Т- 23. - В- 9. - С. IGI3-IGI7. 0. Вербицкая Е.М., Еремип В-К. , Изанов А.М- , Строкан И.о. Турсоеков У- Ш-, 1имидт Б. Методика измерения параметров, апредолчхллих потери энергии и заряда в кремневых детекторах ионов ✓✓ П'ЕЭ. - 1990. - и° 6- - С.- 6-',-67-4- Вербицкая Е-М-, Еремин В.К-, Иванов A.M. , Игна-ек>о g. С-,

Строкан Н. Б. , Туребеков У. Ш. , Борэни И- , ¡Лмидт Б- К вопросу

0 спектре глубоких уровней, создаваемы*. в кремниевых детекторах излучений «-частицами ОТП. - IS9I- - Т. ¿5. - -

3. 5. - С. 352-8585- Еремин В- К., Иванов А. М., Строкан Н. Б. Ложные пики в спектрах dlts пленарных дисдных структур " ©ТП. - 1Э93. - Т. 26. - В. 3. - С. 477-480.

6. Вербицкая Е.М-, Бремик В-К. , Ubehob A.M. , Строкан Н.Б. Глубокие уровни термодефектов в высокоомнон ссобочис ом г.-si " ФТП. _ IS92- - Т. 26- - В. II. - (3. 1962-1Э70-

7. Вербицкая Е. N., Еренин В. К-, Иванов А. М. , Строкан Н. Б. Днмин А-Н. , Лебедев В.М. К вопросу о радиационной стойкое-' та планарных детекторов на основе высокоомного крекршя ---Письма в Ж№ - 1992. - Т- 18. - & 24. - С- 69-78.

8. Li Z. , Kraner Н. W. , Verbi f.skaya E. , Ereiui n V., Ivannv A. , Ratt.Tjgi M. , Kancol * а р.ц., Rubii.r.lli F. A. , Fona'.h S. Dale C., Marshall P. Investigation of t he oxygyii- va^a.ic

(A— center ) defect coflipl«* prcfiXe in nc-*jt?*on irc'dlated hi^h

1 I'sisl ivity silicon ju.ictici« pa: t-cl'j 'dotectori ss

Tr!.ns. Nuci.sci. - 1992. - v. ks-39. - № ft. - r. i730-t7ofi-

9. Вербицкая E.M. , Еремин В. К. , Иванов А- М. , Сгрокан Ч.Б.' Особенности генерационного тока з облученных «-частицами р+-п-перехсдах из ьысокосмного кремния «-v ФТП. - 1993- -Т. 27. - В- 2. - С- 206-212.

-10. Еербицкзя Е- М. , Ереш-гч В. I*. , Ивзнов А. М. , Строкан Н- Б- Радиационное воздействие дейтронов >та приемники из луче тая из ви-сокоомного кремния ФТП- - J99S. - Т. 27- - Б. 7. -С. III3-I120.

11. Берман Д. С-, Иванов д. М., Строкан Н. Б- К вопросу об .-Фиктивности образования вйкансиончых центров в r.-?i при облучеим -х-чгитицами " Письма в ?.ТФ- - 1993- - Т. 19. -№ 20. - С- 24-2с. 12- Берман Л- С. , Явзнов Д. М. , Павлова М. Л- , Роменки: А. Д. , Стреквк Н. Б. Радианионные дефекты в кремния, облученном «-чогти^йми при нчзкой- температуре ✓✓ ФТП. - ISS3. -Т. 27. - В. II/12. - С. 1795-1799.

- 2013- Cieremnkhi.li A., Gui ut vin I. , Ras he vs к y A., Zamyatin N. ,

i

ErumLn V., I"ai\oi A., Strokan N. , Verbitikaya E. , Egorov N., (Jolubkov s. . koz'oy y., Sidorov a., Milvidsky m., Kazai>ieva В., Golovina V... Voronkova G. , VoronJio» V. iri> esti'j;'.t.f.on silicon planar detectors for f.NC project.

Дубна. - 19Э4. - препр. СИЯЙ - № EI3-94-247. - 13 с.

£4- Çrcmin V., Ivanov A., Verbitskaya E. , Li Z. Physical ' background foi l.h» detection of radiation Induced defect l«<o.l E^-0. 17 eV in high resistivity sliico.i by DLTS method with preliminary iilling puis (PFP-DLTS) ss NY. - 1994- -BNL - № G0I43- - 20 p. ' . ✓,

15. Schnii.it 1'. , Erendn V. , Xvanov A., Strckan N. , K

Vtrbitskaya Ë., Li 2. kelaKation of radiation damage in •silicon planar detact.cirs уу J. Appl. Phvs. - 1994- -v. 76. - № 7. - v. 4072-4076.

Цитированная литература

1. Вербицкая Е- M-, Еремин В. К., Малярекко А- М., Сгрокан Н. Б- -Суханов В. Л. у у Письма в ЖТФ. - 1986. -Т. 12. - В. 20. -С. I254-I258- .

2. ч.м l.d., Sah С. Т. уу Solid State Electronics.. - 1974. -. v. 17. _ м° I. - P. 193-201.

3. Sah С. î . , Wa.wj C.N. ys J. Appl. Phys. - 1975. - V. 46- -№ 4. P. 1767-1776.

Коноллева F. Ф., Литвинов В. Л., Ухин Н- к- Особенности радиационного повреждения полупроводников частицами высоких энергий - M i Атомиздат, 1971. - 176 е., ил.

5. 1..ч.у о. V. уу J. Appl. Phys. - 1974. - v. 45. - № 7.

3024-30326. Берман Л- С.. Лебедев А. А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. - Л.s Н&ука, 1981. - 175 е., ил.

7. Взскльев А. В-. Смагулова С. 4., Шаймеев С. С. уу ФТП- - 1983. -Ï. 1?. - В. I. - С. 162-154..

8. Вагр?еа Н. Т., Клячкин Л. Е. Малярекко А. М.. Половцев И. С., Суханов В. Л. ✓✓ Ф'Ш. - 1990- - Т. 24. - В. 9. - С. 1563-1573.