Ефекти кластеризації радіаційних дефектів в атомарних і бінарних напівпровідниках

Долголенко А. П., Марчук Н. Д. Изучение радиационных дефектов в селениде меди р_типа // Труды научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельной электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике" (МТЭ и ТП-90) (23_24 октября 1990 г.). - Минск: Изд. БелНИИНТИ, 1990, часть 1. - С. 59-61.

Брайловский Е. Ю., Долголенко А. П., Карапетян Ф. К. Радиационные дефекты в n_InP, облученные высокоэнергетичными протонами / К., 1982. - С. 4-9. (Препр. / КИЯИ-82-14. Основные результаты работ, полученные на изохронном циклотроне У_240 в области радиационной физики и радиобиологии).

Литовченко П. Г., Барабаш Л. І., Віхлій Г. О., Долголенко О. П., Дубовий В. К., Карпенко А. Я., Ластовецький В. Ф., Старчик М. І., Тартачник В. П., Хіврич В. І. Радіаційна фізика напівпровідників на реакторі ВВР М // Матеріали наук. конф. "40 років нейтронних досліджень на реакторі ВВР М". - Київ. - 2000. - С. 40-43.

Litovchenko P. G., Candelori A., Litovchenko A. P., Kaminsky A., Groza A. A., Dolgolenko A. P., Karpenko A. Ya., Khivrich V. I., Barabash L. I., Lastovetsky V. F. Radiation hardening of silicon for detectors by preliminary irradiation // Proceedings of 9^th European symposium on semiconductor detectors. - Schloss Elmau, Germany. - June 23_27, 2002.-P.20-24.

Litovchenko P. G., Bisello D., Candelori A., Litovchenko A. P., Groza A. A., Dolgolenko A. P., Khivrich V. I., Barabash L. I., Lastovetsky V. F., Polivzev L. A., Wahl W., Wyss J., Boscardin M., Dalla Betta G. F. Radiation hardness of silicon for detectors of nuclear radiation // Матеріали IV Міжнародної школи-конференції "Актуальні проблеми фізики напівпровідників". -Дрогобич, Україна. - 24-27 червня 2003 p. - С. 36.

Litovchenko P. G., Dolgolenko A. P., Litovchenko A. P., Varentsov M. D., Lastovetsky V. F., Gaidar G. P., Candelori A., Bisello D., Boscardin M., Dalla Betta G. F. Radiation hardness of n_Si irradiated by fast-pile neutrons // RD50 - Radiation hard semiconductor devices for very high luminosity colliders, 2^nd workshop, May, 2003.

АННОТАЦИЯ

Долголенко А. П. Эффекты кластеризации радиационных дефектов в атомарных и бинарных полупроводниках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, 2008.

Диссертация посвящена изучению влияния закономерностей кластеризации радиационных дефектов на электрофизические коэффициенты атомарных (Si) и бинарных (InSb, InP) полупроводников. При значительной концентрации пар Френкеля, созданных ядерным излучением, вакансии объединяются в дивакансии, тривакансии и более сложные комплексы, что в дальнейшем может привести к образованию пор, а межузельные атомы в проводящей матрице объединяются в димежузлия и другие более сложные агрегаты. Впервые решена задача описания температурных зависимостей эффективных концентраций носителей при различных флюенсах облучения полупроводников высокоэнергетическими ядерными частицами. Получены уравнения для определения концентрации экранирующих центров в кластерах дефектов и простых дефектов в проводящей матрице n_ и p_Si, выращенного различными методами, после различных доз ядерного облучения. Приведены выражения для раздельного вычисления скорости удаления носителей кластерами и простыми дефектами в проводящей матрице: на основе холловских измерений кинетических коэффициентов полупроводников после малых доз облучения быстрыми нейтронами. Физической основой послужило то, что вероятность захвата носителей дефектами зависит от вероятности их захвата другими дефектами в кластере. Вычислено, что длина пробега собственного межузельного атома в n_Si (FZ) равна 10^-4 см, вакансии - в 2 раза меньше. Атомы кислорода уменьшают пробег на 10 %. На основании литературных данных, а также проведенных исследований показано, что при захвате электрона в кремнии собственными амфотерными дефектами энергия уровней изменяется на величину ДЕ = 0,33/n, где n - число вакансий или межузельных атомов в дефекте. Предложена таблица положений уровней дивакансии в кремнии при ее модификации фоновыми примесями (углеродом, кислородом). В рамках теории эффективной среды описана дозовая зависимость удельного сопротивления и термоэдс при облучении в реакторе в смешанном нейтронном поле при температуре (200 550) ^оС полупроводников Cu₂Se, Si_0,7Ge_0,3. Показано, что кластеры дефектов ответственны за перераспределение легирующей примеси (В, Р) в процессе облучения Si_0,7Ge_0,3. В случае Cu₂Se кластеры служат центрами осаждения атомов меди. С помощью интеграла перекрытия учтено дополнительное перекрытие кластеров дефектов, обусловленное глубокими уровнями простых дефектов, и определены вероятности перекрытия в кремнии. Определено положение в запрещенной зоне n_Si бистабильного дефекта (C_iC_s)⁰ в нейтральном (E_c 0,123 эВ) и отрицательно заряженном состоянии (E_c 0,147 эВ) соответственно. Доказано, что акцепторные уровни (E_c 0,426 эВ и E_c 0,315 эВ) и донорные уровни (E_V + 0,25 эВ и E_V + 0,45 эВ) дивакансий и димежузельных атомов определяют положение уровня Ферми E_F = E_V + 0,55 эВ при высоких флюенсах облучения быстрыми нейтронами. Определены критерии радиационной стойкости и предложен способ повышения радиационной стойкости n_Si путем легирования донорными примесями с глубокими уровнями: Cr (E_c 0,4 эВ) или S (E_c 0,18 эВ). Повышение температуры ядерного детектора компенсирует радиационные дефекты. Описан отжиг кластеров дефектов как процесс аннигиляции дивакансий и тривакансий с межузельными и димежузельными атомами кремния. Определены энергии активации отжига и частотные факторы: = 0,74 эВ, ₁ = 3,5 10⁶ с^_1 и = 0,91 эВ, ₂ = 7 10⁶ с^_1. Определены также энергии миграции и частотные факторы межузельных дефектов в I⁼, I₂⁰, I₂O_i⁰ зарядовом состоянии в процессе облучения зонно-выращенного p_Si (FZ) быстрыми нейтронами реактора при Т = 287 К. Энергия отжига простых дефектов и их скоплений уменьшалась при захвате электрона в радиационных полях (нейтронном и _квантов). Анализ отжига кластеров дефектов показал, что радиус захвата межузельного типа дефектов в кластер зависит экспоненциально от энергии барьера (0,41 эВ). Определен коэффициент радиационно-стимулированной диффузии бора и фосфора в твердом растворе Si_0,7Ge_0,3 при облучении в реакторе при 810 К (~ 2 • 10^-18 см²/с), который прямо пропорционален квадрату радиуса (R 60 Е) тепловых клиньев и обратно пропорционален постоянной времени релаксации для фосфора = 1,25 10⁶ c и бора = 1,29 10⁶ c.

Ключевые слова: твердое тело, кремний, сплав германий-кремний, фосфид и антимонид индия, быстрые нейтроны, _кванты, протоны, кластеры дефектов, отжиг, радиационная стойкость.

АНОТАЦІЯ

Долголенко А. П. Ефекти кластеризації радіаційних дефектів в атомарних і бінарних напівпровідниках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

Дисертація присвячена вивченню закономірностей кластеризації радіаційних дефектів. Уперше описано ефективну концентрацію носіїв у залежності від температури та флюенса опромінення n_Sі ядерними частинками. Наведено вирази для швидкості видалення носіїв кластерами і простими дефектами. Обчислено, що довжина пробігу власних міжвузлових атомів у n_Sі (FZ) дорівнює 10^-4 см, вакансії - у 2 рази менша. На підставі літературних даних, а також власних досліджень показано, що при захопленні електрона в Sі амфотерними дефектами енергія рівнів змінюється на ДЕ = 0,33/n, де n - число вакансій (чи міжвузлових атомів) у дефекті. Показано, що кластери відповідають за перерозподіл легуючої домішки (В, Р) у процесі опромінення Sі_0,7Ge_0,3. У Cu₂Se кластери слугують центрами для осадження міді. Враховано додаткове перекриття кластерів, обумовлене дефектами. Визначено положення в забороненій зоні n_Sі бістабільного дефекту (C_іC_s)^0/-: E_c 0,123 і E_c 0,147 еВ. Доведено, що акцепторні рівні (E_c 0,426 і E_c 0,315 еВ) та донорні рівні (E_V + 0,25 і E_V + 0,45 еВ) V₂ і I₂ визначають положення рівня Фермі (E_V + 0,55 еВ) при високих флюенсах опромінення швидкими нейтронами. Запропоновано спосіб підвищення радіаційної стійкості n_Sі. Визначено енергії активації та частотні фактори при 292 К в n_Sі міжвузлових дефектів І₂, І та I⁼, I₂⁰, I₂O_i⁰ у процесі опромінення p_Sі (FZ) швидкими нейтронами при 287 К. Показано, що радіус захоплення міжвузлового типу дефектів у кластер залежить експоненціально від енергії бар'єра (0,41 еВ). Визначено коефіцієнт радіаційно-стимульованої дифузії фосфору і бору в твердому розчині Sі_0,7Ge_0,3 при опроміненні в реакторі при 810 К (~ 2 • 10^-18 см²/с).

Ключові слова: тверде тіло, кремній, сплав германій-кремній, фосфід та антимонід індію, швидкі нейтрони, _кванти, протони, кластери дефектів, відпал, радіаційна стійкість.

ABSTRACT

Dolgolenko A. P. Cluster effect of radiation defects in atomic and binary semiconductors. - Manuscript.

The dissertation for a doctor of science degree in physics and mathematics with specialization 01.04.07 - solid state physics. Kyiv National University by Taras Shevchenko, Kyiv, 2008.

The research is devoted to an investigation of cluster regularity of radiation defects. The effective carrier concentration has been described for the first time of a dependence on temperature and the fluence of the irradiation of n_Si by the nuclear particles. The expression for the calculation of the carrier removal rate by a clusters and simple defects was reduced. It have been calculated that the run length of self-interstitials in n_Si (FZ) is equal to 10^-4 cm and vacancies should not be less than half-length. Due to literature data and also self-investigation it was shown analytically that level energy of amphoteric defects in Si under condition by capture of the first and the second electron are changed on the value ДЕ = 0,33/n, where n is the number of vacancies in a multivacancy defect. Detail description of experimental data in n_ and p_Si_0.7Ge_0.3 is only possible under condition that clusters represent effective centers for precipitation of dopants. In p_Cu_2-Se cluster defects serve centre of copper atom precipitation. The additional overlapping of clusters caused by the introduction of point defect was calculated. The acceptor energy-level positions of bistable complex (C_iC_s)^0/- are equal to E_c 0,123 and E_c 0,147 eV in the forbidden band of n_Si. It has been proved that the acceptor and donor levels of divacancies (E_c 0,426 eV, E_V + 0,25 eV) and di-interstitials (E_c 0,315 eV, E_V + 0,45 eV) in silicon are responsible for the Fermi level E_F = E_V + 0,55 eV stabilization. The migration energy and frequency factor in n_Si (292 K) of interstitial silicon atoms (I, I₂) and I⁼, I₂⁰, I₂O_i⁰ under irradiation of p_Si (FZ) fast-pile neutron (287 K) were determined. It is shown that the capture radius in cluster of interstitial defects is exponential depended by energy barrier (0,41 eV). The coefficient of radiation-enhanced diffusion at 810 K for phosphorus and boron under pile-irradiation (~ 2 • 10^-18 сm²/с) are determined.

Keywords: solid state, silicon, silicon-germanium alloy, phosphide and antimony indium, fast-pile neutrons, _rays, protons, defect clusters, annealing, radiation hardness.

Размещено на Allbest.ru