1.3.4 Ядерные превращения при воздействии ионизирующих излучений

Ядерными превращениями (реакциями) называют процессы взаимодействия ядерных частиц с ядрами атомов вещества. Обычно ядерные реакции записывают в виде

А +   В + ,

или сокращенно А(, )В. Частицы, появляющиеся в результате ядерных превращений, могут быть теми же, что и во входном канале, но в других состояниях, которые не описываются моделью упругого рассеяния. Очень часто образующиеся вторичные частицы находятся в метастабильном и/или возбужденном состояниях, поэтому в ходе ядерных реакций могут образовываться также дополнительные вторичные частицы, в том числе гамма-кванты [4].

Сечение реакции определяется свойствами сил взаимодействия между частицами и трудно поддается расчетным оценкам. На практике представляет интерес идентификация каналов реакции (тип ядерной реакции и образующиеся вторичные частицы), энергия и угловое распределение образующихся вторичных частиц. Ряд оценок можно получить в результате применения законов сохранения энергии, импульса, заряда, числа нуклонов и ряда других.

Применительно к радиационным факторам космического пространства ядерные реакции проявляются в основном при воздействии протонов. При этом наиболее распространенной является реакция Si(p, )Al [4]. Энергетическая зависимость сечения данной реакции от энергии протонов представлена на рис. 1.16 [4].

Рис. 1.16. Сечение ядерной реакции Si(p, )Al в кремнии в зависимости от энергии протонов [4] (1 барн = 10^–24 см²)

При нейтронном облучении ядерные реакции возникают в основном вследствие взаимодействия облучаемого вещества с тепловыми нейтронами [3], энергия которых лежит в диапазоне до нескольких сотен электронвольт. При этом вследствие ядерных превращений в кристаллах полупроводников могут возникать новые химические примеси (трансмутационное легирование). Обычно при облучении полупроводников в реакторе средними интегральными потоками (до 10¹⁵ см^–2) число смещенных атомов в результате упругого рассеяния быстрых нейтронов значительно превышает число ядерных превращений, однако относительное число ядерных превращений может сильно возрасти, если путем использования различных замедлителей повысить долю тепловых нейтронов.

Тепловые нейтроны можно использовать для трансмутационного легирования некоторых полупроводников. В частности, при легировании данным методом кремния целевой эффект получается вследствие протекания ядерной реакции на тепловых нейтронах [3]

³⁰Si (n, ) ³¹Si ³¹P.

Высокая проникающая способность нейтронов в веществе обеспечивает равномерное введение примеси при трансмутационном легировании. Однако для широкого использования данного метода легирования кремния имеется ряд трудностей, таких как значительная наведенная радиоактивность, длительные времена облучения, сложности получения и дозиметрии прецизионных однородных пучков тепловых нейтронов заданных энергий и их использования для локального облучения с целью получения желаемых профилей легирования в полупроводниковых структурах [3].

1.3.5 Термостабильные радиационные центры в полупроводниках

Согласно современным представлениям, тармостабильными в рабочем диапазоне температур ПП и ИС радиационными центрами, вносящими в запрещенную зону полупроводника разрешенные уровни энергии, являются не точечные первичные нарушения, а их ассоциации между собой и атомами остаточных и легирующих примесей [3, 10].

Типичными для кремния являются комплексы типа V–O (А-центры, Е_с – 0,17 эВ), V–P (Е-центры, Е_с – 0,4 эВ), V–V (j-центры: Е_с – 0,4 эВ — соответствует двукратно отрицательно заряженной дивакансии; Е_с – 0,54 эВ — соответствует однократно отрицательно заряженному состоянию дивакансии; Е_v + 0,28 эВ — соответствует положительно заряженной дивакансии). Их относительная концентрация, вносимая в кристаллы полупроводника при облучении, зависит как от исходных свойств полупроводника, так и от условий облучения. Кроме этих основных радиационных центров могут образовываться также и более сложные комплексы. Например, могут образоваться донорные центры дивакинсия-кислород (Е_v + 0,35 эВ в р-Si, Е_с – 0,21 эВ в n-Si). Атомы акцепторной примеси (бора) создают с вакансиями в зонном кремнии р-типа преобладающие донорные радиационные центры с уровнем Е_v + 0,21 эВ (дивакансия-бор), и акцепторные радиационные центры с уровнем Е_v + 0,45 эВ (вакансия-бор, аналог Е-центра в n-кремнии), однако природа этих центров окончательно не установлена [3, 10]. Атомы кислорода в кремнии при облучении принимают также активное участие в образовании сложных центров прилипания для неосновных носителей (Е_v + 0,31 эВ, Е_v + 0,39 эВ, Е_v + 0,48 эВ в кислородном n-Si; Е_с – 0,30 эВ, Е_с – 0,37 эВ, Е_с – 0,47 эВ в кислородном р-Si), а также центров интенсивной излучательной рекомбинации.

Также кроме основных легирующих примесей и кислорода на образование радиационных центров в кремнии оказывают влияние атомы других остаточных и легирующих примесей (литий, медь, золото, железо, никель, углерод, водород и др.), концентрация электрически активной компоненты которых увеличивается при облучении. Эти примеси становятся электрически активными, когда становятся примесями замещения при взаимодействии с вводимыми облучением вакансиями.

В целом ряде работ показано, что при облучении кристаллов кремния n- и р-типа проводимости суммарный эффект от образования «глубоких» радиационных центров акцепторного и донорного характера приводит по мере увеличения потока облучения к смещению уровня Ферми к середине запрещенной зоны (исключение могут составлять особо чистые образцы кремния). Данная закономерность — компенсация проводимости при облучении вплоть до собственной — экспериментально наблюдается во всех широкозонных полупроводниках, независимо от исходного состояния [2, 3, 10, 11].

В кристаллах германия при облучении образуется преимущественно ряд устойчивых акцепторных центров: Е_v + 0,18 эВ, Е_v + 0,07 эВ, Е_v + 0,01 эВ (данные три уровня соответствуют дивакансиям в различных зарядовых состояниях), Е_с – 0,20 эВ (для кристаллов германия, легированных сурьмой — ассоциации V–Sb, аналог Е-центра в кремнии). Это приводит к смещению уровня Ферми в «бескислородных» кристаллах германия n- и р-типа по мере роста потока облучения к предельному положению E_v + 0,24 эВ. При этом в «бескислородных» образцах n-германия происходит конверсия типа проводимости.

Ассоциации вакансий с атомами сурьмы в германии также дают акцепторные уровни E_v + 0,24 эВ. В [3] указывается, что акцепторные уровни, определяемые ассоциациями V–Sb, имеют большое сечение рекомбинации неосновных носителей и ответственны за конверсию n-типа германия в р-тип. Ассоциации вакансий с атомами других легирующих примесей в германии дают в запрещенной зоне следующие акцепторные уровни: Е_с – 0,25 эВ (V–As); Е_с – 0,1 эВ (V–Sn).

В «кислородных» кристаллах германия преимущественно образуются уровни Е_с – (0,90  0,02) эВ (ассоциация вакансии с атомом кислорода). Данные уровни интенсивно захватывают образованные облучением вакансии, что затрудняет образование акцепторных центров с участием донорной примеси и, тем самым, приводит к сдвигу конверсии n-типа германия в р-тип в область более высоких потоков облучения.

Облучение кристаллов германия n- и р-типа приводит также к «проявлению» ряда остаточных примесей — меди, никеля, золота, и как следствие — появлению соответствующих этим примесям уровней E_v + 0,32 эВ, E_v + 0,44 эВ и E_v + 0,54 эВ [3].

Дефектообразование в соединениях вида A^IIIB^V имеет ряд особенностей, связанных со структурой кристаллической решетки, характером связи атомов, наличием двух пороговых энергий смещения и уровнем технологии получения монокристаллов [3, 11].

При облучении GaAs вводятся глубокие и мелкие энергетические уровни радиационных дефектов. При этом вводятся уровни как акцепторного, так и донорного характера, и уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны. Характерно, что сечения образования эффективных доноров в p-GaAs и эффективных акцепторов в n-GaAs приблизительно

одинаковы [11]. В облученном GaAs обнаружено большое количество энергетических уровней, однако природа их остается во многом неясной. Можно отметить некоторые из этих уровней [11]: Е_с – (0,09–0,12) эВ; Е_с – 0,16 эВ; Е_с – 0,38 эВ; Е_с – 0,57 эВ; Е_с – 0,71 эВ; E_v + 0,20 эВ; E_v + 0,16 эВ; E_v + 0,03 эВ. Концентрация дефектов, ответственных за уровень Е_с – (0,09–0,12) эВ, при облучении увеличивается. Уровень Е_с – 0,16 эВ, по-видимому, имеет радиационное происхождение, но не связан с легирующей примесью (теллуром). Уровень Е_с – 0,38 эВ обнаружен только в облученном материале n-типа, поэтому можно предполагать, что он принадлежит комплексу с донором V группы. Концентрация дефектов, ответственных за уровни Е_с – 0,57 эВ и Е_с – 0,71 эВ, при облучении увеличивается. Акцепторный уровень E_v + 0,20 эВ обнаружен лишь в облученных кристаллах при измерении температурной зависимости примесной фотопроводимости. Уровень E_v + 0,16 эВ связывается с вакансиями мышьяка, а уровень E_v + 0,03 эВ, возможно, принадлежит комплексу с цинком [11].

Большинство исходных кристаллов GaAs содержит высокие концентрации остаточных технологических примесей (меди, кислорода, цинка, кремния и др.) и собственных дефектов структуры [3]. При облучении происходит радиационная активация меди с появлением акцепторного уровня E_v + 0,15 эВ, кислорода (E_c – 0,65 эВ) и образование ряда устойчивых комплексов, создающих глубокие компенсирующие уровни.

При облучении GaP также образуются радиационные дефекты, дающие глубокие и мелкие уровни. Однако вследствие низкого совершенства монокристаллов GaP и особенностей его кристаллической структуры спектр дефектов, их природа и влияние на физические свойства изучены недостаточно. Следует отметить, что в GaP, как и в GaAs, при облучении образуются как простые, так и сложные дефекты, представляющие собой комплексы простых дефектов с остаточными или легирующими примесями, а также области разупорядочения.

Высокотемпературный отжиг радиационных центров в полупроводниках носит диффузионный характер и происходит в несколько стадий с увеличением энергии активации каждой последующей стадии [3]. При этом полный отжиг происходит при температурах 250–400 С для германия и 450–600 С для кремния. Отжиг радиационных дефектов в арсениде галлия протекает при 210–240 и 390–600 С [11]: на первой стадии отжигаются дефекты, представляющие собой комплексы примесь – междоузельный мышьяк, вторая стадия характерна для кристаллов, подверженных облучению высокоэнергетическими частицами, поэтому можно думать, что выше 490 С отжигаются скопления дефектов. Температурный отжиг радиационных нарушений в GaP протекает при 150, 230–250 и 490–590 С [11]. На низкотемпературных стадиях отжигаются изолированные дефекты, а при высоких температурах, очевидно, области разупорядочения.

В целом можно заключить, что температура отжига радиационных центров в полупроводниковых материалах значительно превосходит рабочие температуры для ПП и ИС. Следовательно, изменения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, а также ПП и ИС на их основе, связанные с вводимыми при радиационном облучении структурными повреждениями, будут устойчивыми в рабочем диапазоне температур для ПП и ИС.

Подробно свойства радиационных центров в полупроводниковых материалах, а также механизмы их образования и отжига, рассмотрены в [2, 3, 10], и для более детального изучения этих вопросов студентам следует руководствоваться этими изданиями.