Радиационные эффекты в полупроводниках Курсовая работа (проект)

где Еmax - наибольшая кинетическая энергия смещенного атома, Эв;

Еэ - кинетическая энергия электрона, Эв;

m - масса покоя электрона, кг;

с - скорость света, м/с;

M - масса ядра атома полупроводника, кг.

Энергия электрона, при которой возможно начало смещения атомов, в кремнии составляет около 160 кэВ, а в германии - 320 кэВ. При облучении полупроводников гамма-квантами высоких энергий, которые также используются в радиационной технологии, вероятность образования смещений в результате непосредственного взаимодействия гамма-кванта с ядром атома очень мала. Смещения в данном случае будут возникать за счет электронов, образующихся в полупроводнике главным образом в результате комптоновского эффекта на ядрах полупроводника. В кремнии при облучении гамма-квантами Со60 со средней энергией ~1,25 МэВ комптоновские электроны возникают с энергией ~0,59 МэВ. Если энергия первичносмещенных атомов значительна, то они могут сами производить вторичные смещения и далее по цепной реакции.

Стоит отметить, что первичные радиационные дефекты (междоузельный атомы и вакансии) имеют высокую подвижность и при комнатных температурах весьма нестабильны. Они вступают во взаимодействие друг с другом – рекомбинируют или взаимодействуют с имеющимися в кристалле примесями и дефектами, например – дислокациями. Так образуются более сложные вторичные радиационные дефекты, например, для кремния n-типа проводимости, средне легированного фосфором и наиболее характерны такие радиационные дефекты как вакансия + атом фосфора (Е-центр), вакансия + атом кислорода (А-центр), дивакансия (соединение двух вакансий) и другие.

Применение и развитие традиционных методов металлургического, диффузионного и ионного легирования выявили ряд трудностей в технологий производства полупроводниковых материалов и приборов, связанных с неоднородностью распределения легирующих примесей в объеме растущего кристалла, что обусловлено, главным образом, термодинамическими причинами, и появлением термических, а также ионных дефектов в кристаллах [2].

Альтернативой этому является ядерное легирование (ЯЛ) полупроводников частицами различных энергий.

Так, авторы исследования [5] приводят некоторые полученные ими ре-зультаты исследований по арсениду галлия. Удачное сочетание свойств данного прямозонного материала с высокой подвижностью носителей заряда позволяет использовать его в СВЧ, опто- другой и функциональной электронике, а также интегральных и комплементатарных схемах. Исследования проводились на монокристаллах и эпитаксиальных слоях арсенида галлия сформированных методами газофазной эпитаксии. Ядерное легирование осуществлялось в различных каналах ядерного реактора, различающихся соотношениями плотностей распределения энергий медленных и быстрых частиц с энергиями порядка Е>0,1 МэВ нейтронов фt/фf в диапазоне 50-185 (безразмерная величина). Температура образцов в процессе облучения была около 80 0С.

Флюенс низкоэнергитичных нейтронов варьировался в пределах 5∙1016 ÷ 5∙1017 н/см2. Отжиг образцов проводился в атмосфере водорода и азота в кварцевых ампулах в диапазоне температур 1000÷1200 0С в течение 1 часа с шагом в 60 0С и последующим медленным охлаждением до комнатной температуры, для предотвращения образования температурных дефектов и квантов тепловых колебаний. После отжига, образцы подвергались химическому травлению в полирующем травителе с целью удаления нарушенного поверхностного слоя и последующей промывке в деионизированной воде марки А. Для измерения проводимости и эффекта Холла использовались образцы размером 5 х 5 мм.

Характер восстановления свойств кристаллов ядерно-легированого арсенида галлия (ЯЛАГ) зависит как от характеристик исходного материала, так и от условий облучения, что можно наблюдать на рисунке 2.1. Анализ зависимостей удельного электросопротивления от температуры отжига p(Тотж) позволяет заключить наличие нескольких основных стадий отжига. Основной отжиг радиационных дефектов происходит в диапазоне температур 450÷550 0С. Удельное электросопротивление в результате термического отжига образцов

Физические механизмы радиационных воздействий на материалы и эле-менты оборудования зависят от вида и энергии воздействующего излучения, типа облучаемого материала, условий облучения - интенсивности воздействующего излучения (мощности дозы), температуры материала и ряда других факторов. Поскольку ионизирующее излучение космического пространства является многокомпонентным по составу и энергии, причем его составляющие могут воздействовать на КА (космический аппарат) в различных сочетаниях и в разной временной последовательности, то возникающие в материалах КА радиационные эффекты имеют весьма сложный характер.

Радиационными эффектами принято называть любые изменения струк-туры, свойств, состояния вещества или материала, вызываемые действием из-лучения. Трудность анализа радиационных эффектов усугубляется также сложностью состава и структуры многих материалов, используемых в конструкции КА: композитов, полимеров, многослойных тонкопленочных структур и т.д.

Обратимые и необратимые изменения свойств материалов происходят за счет всех процессов преобразования энергии ионизирующего излучения в веществе.

Электронно-дырочные пары, генерируемые в твердом теле тормозящи-мися заряженными частицами в результате ионизационных потерь энергии, вызывают радиационную проводимость, радиолюминесценцию, радиационное окрашивание и радиационно-химические превращения.

Радиационная проводимость и радиолюминесценция определяются в основном мощностью дозы излучения и относительно быстро исчезают после прекращения облучения. Время релаксации составляет ~10-9-10-1 с в зависимости от типа материала. Эти явления характеризуют типичную картину обратимых радиационных процессов. Радиационное окрашивание диэлектриков и радиационно-химические превращения в основном зависят от суммарной поглощенной дозы излучения. Время релаксации таких явлений достигает 1∙10-7с и более. Носители заряда, образующиеся в облучаемом веществе, создают стационарные и нестационарные токи и приводят к накоплению объемного заряда в диэлектриках, который может сохраняться в течение длительного времени. Последний процесс, как мы увидим далее, может быть причиной возникновения электрических разрядов в диэлектрических материалах КА.

Эффекты смещения, приводящие к образованию простых коротко живущих и сложных долгоживущих радиационных дефектов кристаллической решетки твердого тела, оказывают, как уже отмечалось выше, значительное влияние на электрофизические, оптические и механические свойства материалов.

Рассмотрены физические основы и практические результаты использования проникающих излучений в технологии ядерного легирования полупроводниковых материалов (Si, GaAs), а также в производстве полупроводниковых приборов, в том числе мощных кремниевых диодов, тиристоров и транзисторов. Показана высокая эффективность применения радиационной технологии для повышения быстродействия изделий электронной техники, исключения операции диффузии золота или платины, улучшения качества, снижения себестоимости и повышения выхода годных приборов.