Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
т — фотоэффект; а — эффект Комптона; к — образование электронно-позитронных пар; ц — полное поперечное сечение.
¦? МэВ
Рис. 3.4. Поперечное сечение процесса смещения атомов кремния (а) и германия (б) под действием у-
простых «ядерных» (1) и «каскадных» (2) дефектов, образованных у-квантом с энергией Е в 1 см3 кремния [5].
Рис. 3.5. Количество
квантов.
Еа, эВ: 1 — 15; 2 — 30.
фектов учитывались: ионизационные потери, тормозное излучение, образование электронов, .многократное кулоновское рассеяние электронов, фотоэффект, комптоновское рассеяние тт-квантов, образование электрон-позитронных пар, аннигиляция позитронов, упругое рассеяние у-квантов на ядрах, фотоядер-ные реакции. Результаты расчета для кремния показаны на рис. 0.5. При энергиях у-лучей 20-30 МэВ проявляется гигантским дипольный резонанс сечения фотоядерных реакций что приводит к резкому возрастанию концентрации дефектов!
Заряженные тяжелые чаетицы. При высоких энергиях движущийся в твердом теле атом теряет часть своих электронов и становится многократно ионизованным. Степень ионизации или эффективный заряд иона является сложной функцией его энергии и возрастает с увеличением энергии частицы. Основная причина потери энергии — возбуждение электронов (ионизационные потери), но иногда движущийся атом может взаимодействовать непосредственно с атомом решетки. С уменьшением кинетической энергии движущегося атома снижается степень, его ионизации и вместе с ней скорость потери энергии на возбуждение электронов. В конце концов движущийся атом становится нейтральным, и его энергия расходуется главным образом при столкновениях с атомами твердого тела, которые теперь могут считаться твердыми шарами. Таким образом, облучение тяжелыми заряженными частицами приводит к существенно неоднородному распределению смещенных атомов.
гез^льтаты выполненного в работе [8] расчета полного числа дефектов, вводимых протонами до их полной остановки, представлены на рис. 3.0. Подробно вопросы, связанные с воз-яеиствтм протонов на германий и кремний, изложены в работе I й там же обсуждается роль ядерных реакций как механизма радиационных повреждений при высоких энергиях частиц.
?,эВ
Рис. 3.6. Протоны Е кремнии [8].
1 — зависимость пробега, мкг/см2, от энергии; 2 — полное число дефектов (умножено на 100); з—скорость введения дефектов, см-*•; 4 — сечение смещения атома о^'Ю23, см2;
5 — коэффициент размножения дефектов.
¦с»
Рис. 3.7. Зависимость средней концентрации дефектов в кристалле кремния от энергии нейтронов [10].
1. г — расчеты Крамера — Агеева (см. 110]) по теории Кинчина — Шла и Линхарда; 3 — расчеты по теории Кинчина -- Пиза; 4 — расчеты по Линхарду.
Нейтроны. Существуют два различных механизма смещений атомов в твердых телах, облученных нейтронами. В соответствии с первым нейтрон сталкивается непосредственно с ядром атома и передает ему энергию, превышающую пороговую. Почти всегда ядро получает энергию, достаточную для образования следующих смещений. Второй механизм обусловлен ядерными реакциями на нейтронах, которые подробно рассмотрены в гл. 2. Продукты реакций вызывают атомные смещения.
Результаты расчета средней концентрации дефектов в кремнии в зависимости от энергии нейтронов, проведенного авторами [10], представлены на рис. 3.7. Авторы указывают на важность учета вкладов неупругого рассеяния нейтронов и вызванных ими ядерных реакций в общий радиационный эффект.
В заключение еще раз подчеркнем, что, как правило, рассчитывается концентрация смещенных атомов или дефектов Френкеля, образованных в «первичных» процессах. В действительности приходится иметь дело с целым спектром радиационных дефектов, тип и концентрация которых определяются «вторичными» процессами: диффузией, аннигиляцией, комплек-сообразованием, коагуляцией и т. д.
3.2. ТИПЫ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ (
Наибольшее число радиационных дефектов идентифицировано в кремнии. Описание большинства из них можно найти в материалах конференций (надрнмор, [11—15]) или в монографиях [7, 9, 16—20]. Мы ограничимся перечислением основ-
ных радиационных дефектов и краткой характеристикой, касающейся зарядового состояния дефекта, температурной области его существования и уровней, которые рассматриваемые ассоциации вносят в запрещенную зону кремния.
Вакансионные дефекты. Простейший из них — вакансия. Может находиться в четырех зарядовых состояниях: дву- и однократно отрицательно заряженном, нейтральном и однократно положительно заряженном, подвижна в кремнии н-титта проводимости при Т ^ 60 К (отрицательно заряжена), а в кремнии р-типа при Т 160 К (нейтральна).
В четырех зарядовых состояниях наблюдается и дивакансия [21—-24]. Может вводиться как первичный дефект при облучении тяжелыми частицами, нейтронами или электронами с большой энергией 1 МэВ). Дивакансии отжигаются при температурах 520—570 К. При больших дозах облучения и в бездислокационном материале температура отжига увеличивается. В запрещенную зону дивакансии ввгосят уровни Ес—0Л эВ, Е-о + 0i27 эВ и уровень вблизи средины запрещенной зоны.
