Содержание к диссертации
Введение
1 Радиаігионно-физические процессы в gan под воздействием различных видов ионизирующего излучения. ядерное легирование 11
1.1 Радиационно-физические процессы в GaN под воздействием различных видов ионизирующего излучения 11
1.2 Ядерное легирование полупроводников 19
2 Методика эксперимента 23
2.1 Методика измерения электрофизических свойств тонкопленочных образцов.1 нитрида галлия 23
2.1.1 Цель измерений 23
2.1.2 Сущность метода измерений 23
2.1.3.Оцениваемые характеристики и нормы для показателей точности 27
2.1.4 Операции подготовки к измерениям 27
2.1.5 Порядок проведения измерения удельного электрического сопротивления, концентрации и подвижности основных носителей заряда на установке "HMS 3000" 28
2.1.1 Измерение удельного электрического сопротивления высокоомных образцов GaN двухконтактным методом с помощью электрометра 31
2.2 Методика измерения структурных свойств тонкопленочных образцов нитрида галлия 34
2.2.1 Выбор условий рентгенографического эксперимента 34
2.2.2 Приготовление образцов. Проведение рентгенографических съемок 38
2.2.3 Расчет параметров элементарных ячеек кристаллов 40
2.3 Методика измерения емкостных параметров и спектров глубоких уровней тонкопленочных образцов нитрида галлия 44
2.3.1 Общее описание прибора 47
2.3.2 Краткое описание модулей 48
2.3.3 Главное окно программы 49
2.3.4 Основные характеристики емкостного (DLTS) спектрометра 50
3 Проведение расчета количества первичных радиационных дефектов, образующихся в gan при облучении в реакторе ВВР 52
3.1 Быстрые нейтроны 52
3.2 Тепловые нейтроны 55
3.3 Гамма-излучение реактора 58
3.4 Полное число смещенных атомов 63
4 Электрофизические характеристики 65
4.1 Зависимость электрофизических параметров монокристаллов GaN от флюенса полного спектра реакторных нейтронов и температуры отжига 65
4.1.1 Ядерное легирование 73
4.2 Зависимость электрофизических параметров монокристаллов GaN от дозы электронного облучения и температуры отжига 76
5 Структурные характеристики 85
5.1 Зависимость параметров элементарной ячейки GaN от флюенса полного спектра реакторных нейтронов и температуры отжига 85
6 Емкостные параметры и спектры глубоких уровней образцов GaN 92
6.1 Влияние облучения реакторными нейтронами и температуры отжига на емкостные параметры нитрида галлия 92
6.2 Влияние облучения высокоэнергетическими электронами и температуры отжига на емкостные параметры нитрида галлия 96
7 Элементы технологии 107
7.1 Характеристики исходного сырья 107
7.2 Подготовка образцов к облучению 107
7.3 Упаковка и загрузка образцов в облучательное устройство 108
7.4 Облучение образцов в реакторе ВВР-ц 110
7.5 Разампулировка блок-контейнеров изыгрузка образцов 115
7.6 Дезактивация облученных образцов 115
7.7 Дозиметрический контроль 116
7.8 Подготовка облученных образцов к отжигу 116
7.9 Отжиг 117
7.10 Измерение электрофизических параметров 117
Заключение 118
- Ядерное легирование полупроводников
- Расчет параметров элементарных ячеек кристаллов
- Полное число смещенных атомов
- Влияние облучения высокоэнергетическими электронами и температуры отжига на емкостные параметры нитрида галлия
Введение к работе
Сложные полупроводниковые соединения группы III-V и тройные и четверные растворы на их основе находят широкое применение в полупроводниковой микроэлектронике и, прежде всего, в оптоэлектронике, в связи с многообразием их свойств. GaN и соединения A1N, InN выдвинулись, в последнее время, на передний план исследований в области полупроводников, благодаря превосходным физическим свойствам, проявляемым этими материалами в излучателях видимого и УФ-света, детекторах и силовых высокочастотных высокотемпературных электронных приборах.
Благоприятное сочетание ряда физико-химических свойств нитрида галлия (GaN) открывает широкие перспективы применения в различных областях электронной техники. Высокая термическая и химическая стойкость дают возможность использования GaN для изготовления приборов, работающих в неблагоприятных температурных и химических условиях. Хорошая теплопроводность GaN снимает многие проблемы охлаждения рабочей области приборов, а сочетание высокой скорости насыщения концентрации электронов и значительного напряжения пробоя делает GaN пригодным для изготовления мощных высокочастотных транзисторов. За последние годы транзисторы на основе GaN в диапазоне частот от 1 до 40 ГГц превзошли более чем в 10 раз по удельной плотности и мощности приборы, изготовленные на основе арсенида галлия (GaAs). Широкое использование получил GaN в сочетании с InN и в производстве светоизлучающих и фотоприемных устройств широкого спектрального диапазона. Высокая пороговая энергия образования дефектов и низкая плотность обеспечивают использование GaN в детекторах жесткого излучения в физических экспериментах.
В последнее время, в связи с новыми, более жесткими требованиями к чистоте технологических операций, а также в силу необходимости развития методов локального управления свойствами полупроводников и повышения стабильности устройств в условиях внешних воздействий, резко возрос интерес к радиационным методам в технологии получения материалов и приборов.
Основные области применения облучения различными частицами в технологических целях: 1) у-кванты, ускоренные электроны, быстрые нейтроны - направленное изменение параметров полупроводниковых материалов и приборов, имитация повреждений от космического излучения; 2) протоны - локальное введение дефектов с целью изменения оптических свойств материала и характеристик полупроводниковых структур; 3) другие ионы - ионное легирование, синтез, управление оптическими свойствами материала; 4) медленные нейтроны - ядерное легирование.
Применение метода ядерного легирования (ЯЛ) в технологических целях предполагает управление составом образующихся дефектов, с одной стороны, и поиск путей оптимизации радиационного технологического процесса - с другой. Для этого требуется знать свойства радиационных дефектов, возникающих в материале при облучении, их трансформацию при последующей термообработке, характер их влияния на свойства материала. Необходимо уметь использовать установленные зависимости скоростей образования и отжига радиационных дефектов (РД) от различных внешних условий: исходного примесного и дефектного состава материала, параметров применяемого излучения (энергия, интенсивность, доза), температуры.
Знание и понимание физических процессов, происходящих в полупроводниковом материале в процессе облучения реакторными нейтронами и при термообработке, необходимы для: определения возможности ЯЛ и радиационного модифицирования материалов; разработки и реализации на практике технологий ядерного легирования и радиационного модифицирования свойств нитрида галлия; оценки радиационной стойкости и работоспособности материала и приборов на его основе в жестких радиационных полях и в условиях космического пространства; создания материалов с требуемыми физическими и физико-химическими свойствами для микро- и оптоэлек-троники.
Актуальность работы определяется, прежде всего, отсутствием законченных представлений о механизмах образования и отжига радиационных дефектов в нитриде галлия, характере взаимодействия радиационных дефектов между собой, с исходными структурными дефектами и вводимой легирующей примесью, как в процессе облучения, так и при последующей термообработке, характере влияния условий облучения и параметров исходного материала на конечные свойства ядерно-легированного GaN. Выяснение и развитие этих представлений важны для понимания процессов образования и отжига радиационных дефектов, а также послужат основой для разработки перспективной технологии ядерного легирования, которая позволит получить высококачественные однородно-легированные монокристаллические пластины GaN.
Цель работы - установление закономерностей протекания радиационно-физических процессов в монокристаллах нитрида галлия после облучения электронами, реакторными нейтронами и последующей термообработки, определение характера влияния излучения на свойства материала, оптимальных режимов облучения и отжига, являющихся основой для разработки технологии ядерного легирования нитрида галлия.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- рассчитать количество смещенных атомов в GaN при облучении в исследо
вательском ядерном реакторе с учетом вклада различных составляющих реакторного
излучения (нейтроны, гамма-кванты, атомы отдачи);
исследовать изменение электрофизических, структурных и емкостных параметров образцов GaN с различной исходной концентрацией носителей заряда при облучении, как электронами, так и полным спектром реакторных нейронов, а также в процессе последующей термообработки;
выяснить механизмы образования и отжига радиационных дефектов в образцах при облучении и последующей термообработке;
выяснить влияние уровня легирования в исходном состоянии на характер образования и отжига радиационных дефектов в облученных монокристаллах GaN;
рассчитать концентрацию вводимых в результате ядерного легирования до-норных примесей атомов германия в зависимости от флюенса тепловых нейтронов.
Научная новизна:
- впервые комплексно изучены электрофизические, структурные и емкостные
свойства GaN, облученного большими флюенсами реакторных нейтронов (до 8-10
СМ ),
экспериментально определена роль легирующей примеси в исходном состоянии на процесс образования и отжига радиационных дефектов в GaN;
на основании исследования электрофизических и структурных характеристик выявлены следующие стадии отжига РД в облученном нитриде галлия - (100-^300) С, (300-^700) С, (700-^1000) С;
методами РСГУ и адмиттанс-спектроскопии определены параметры глубоких уровней облученного нитрида галлия;
проведен расчет значения концентрации вводимых в результате ядерного легирования донорных примесей Ge в GaN: Noe = 0.126-Фт (Фт - флюенс тепловых нейтронов).
Практическая ценность:
- экспериментально определены условия облучения (плотность потока нейтро
нов, соотношение плотностей потоков тепловых и быстрых нейтронов, среда, темпе
ратура), режимы последующей термообработки (температура, среда, скорости нагре
ва и охлаждения) и требования к исходному материалу (концентрация носителей за
ряда, структура) для разработки технологии ядерного легирования GaN;
- полученные в работе экспериментальные результаты имеют практическое
значение для прогнозирования свойств материалов и приборов при эксплуатации в
условиях повышенной радиации, в космическом пространстве и могут быть исполь
зованы как физические основы для дальнейшей разработки технологии ядерного ле
гирования и радиационного модифицирования нитрида галлия на базе действующих
исследовательских и промышленных ядерных реакторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- закономерности изменения электрофизических и структурных характеристик
облученных в реакторе ВВР-ц монокристаллов GaN в широком диапазоне флюенсов
1Q 9
полного спектра реакторных нейтронов (до 8-10 см" , фг/ф= 1) до и после термообработки; Уменьшение удельного электрического сопротивления при флюенсах боль-ше 10 см" , что вызвано появлением в материале прыжковой проводимости носителей заряда по дефектным состояниям;
- закономерности изменения электрофизических характеристик GaN, облучен-
ного электронами в широком интервале доз (до 1-10 см") в том числе и после термообработки в интервале 100-^1000 С;
определенные значения энергий глубоких ловушек в облученном нитриде галлия;
стадии отжига радиационных дефектов в облученном нейтронами и электронами нитриде галлия: (100^-300) С, (ЗОО-г-700) С, (700^-1000) С.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, доложены на следующих научных конференциях и семинарах: Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники '09», Новосибирск-Томск, 28 сентября - 3 октября
г.; 7-ая Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы», Москва, 1-3 февраля 2010 г.; The 8l International Conference on Nitride Semiconductors, Jeju, Korea, October 18-23 2009; Отраслевой семинар «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники», Обнинск, 20-22 апреля
г.; XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем», Лыткарино, 1-2 июня 2010 г.; International Workshop on Nitrides Semiconductors IWN2010, Tampa, USA, September 19-25 2010; Девятый Международный Уральский Семинар «Радиационная физика металлов и сплавов», Кыш-тым, 20-26 февраля 2011г.; 36-ой Всероссийский семинар по радиационному и космическому материаловедению «Радиационное и космическое материаловедение», Обнинск, 25-27 мая; 8-ая Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алю-
миния - структуры и приборы», СПб, 26-28 мая 2011 г.; Международный семинар MHT-XI «Структурные основы модификации материалов», Обнинск, 15-17 июня 2011 г.; V Международная конференция «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур» ФММ-2011, Харьков, 12-14 Октября 2011 г..
Публикации
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 6 статей в реферируемых российских и зарубежных научных журналах, утвержденных ВАК РФ, тезисы - 12 докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемой литературы. Работа содержит 60 рисунков и 10 таблиц. Список используемой литературы включает 111 наименований. Общий объем диссертации 133 страницы.
Ядерное легирование полупроводников
Метод ядерного легирования, в основе которого лежат (п,у)-ядерные реакции на тепловых нейтронах, приводящие к образованию новых химических элементов в исходном материале, известен более 40 лет, но до сих: пор остаются нерешенными многие вопросы, связанные с практической реализацией ядерной технологии. Преимущества радиационных технологий применительно к задачам материаловедения и полупроводникового приборостроения, и, в частности, технологий ядерного легирования полупроводников общепризнанны во всех высокоразвитых странах мира, и их с уверенностью можно отнести к технологиям настоящего и будущего. Метод ядерного легирования позволяет получать полупроводниковые материалы с высокой степенью однородности свойств, которой пока не удается достигнуть другими технологическими приемами [60]. Мировое потребление ядерно-легированного кремния в настоящее время исчисляется десятками тонн. Благодаря действию ядерных сил две частицы (два ядра или ядро и нуклон) при сближении до расстояний порядка 10" см вступают между собой в интенсивное ядерное взаимодействие (ядерные реакции), приводящее к преобразованию ядра. Известно много различных типов реакций в зависимости от вида частиц, вызывающих реакции. Одним из самых распространенных видов ядерных реакций под действием нейтронов являются реакции вида (п,у): в результате которых образуется ядро (А+1, Z), обычно являющееся (3 — радиоактивным, т.е. распадающимся по схеме: Так как реакции вида (п,у) сводятся к захвату нейтрона с последующим испусканием у-кванта, они называются реакциями радиационного захвата нейтрона. Реакции радиационного захвата идут под действием медленных нейтронов с энергией от 0 до 500 кэВ, причем, чем меньше энергия нейтрона, тем больше вероятность захвата. Ядерные реакции вида (n,p), (n,a), (п,2п), (n,np), (п,3п) и другие маловероятны, так как для них требуются высокоэнергетичные нейтроны с Еп 0,5 МэВ. Реакции деления- невозможны, потому что атомы, входящие в состав полупроводников, достаточно легкие. В результате реакций радиационного захвата нейтрона и последующих реакций распада в полупроводнике образуется атом нового элемента, который может выступать в качестве электрически-активной примеси.
Контролируемое введение таких электрически-активных примесей и является целью метода ядерного легирования [60]. Для расчета концентрации примесей, образующихся в результате ядерных реакций N „p, см"3, используется следующее соотношение: где N0 - количество атомов в единице объема, см" ; 5Х — сечение поглощения тепловых нейтронов для іго изотопа, см2; С; — относительное содержание іго изотопа в естественной смеси; фт - плотность потока тепловых нейтронов, Размеры облучаемого образца должны быть существенно меньше глубины проникновения тепловых нейтронов в данный материал с целью обеспечения равномерности легирования. Количество дополнительно вводимых нецелевых примесей должно быть минимальным, а их влияние на свойства материала незначительным. Основные преимущества метода ядерного легирования по сравнению с традиционными методами заключаются в следующем: — предсказуемость результатов легирования и легкость управления процессом. Концентрация вводимой примеси определяется ядерными данными и длительностью облучения и не зависит ни от температуры облучения, ни от качества и состояния материала; - равномерность легирования. — нет ограничений на концентрацию вводимой примеси. Ограничением является только концентрация изотопа, трансмутация которого происходит; - материал, полученный трансмутационным легированием, обладает повышенной стойкостью к последующей термообработке и воздействию радиации [60]. Основными недостатками метода являются: — образование радиационных дефектов при облучении. Это вызывает необходимость последующего отжига радиационных дефектов. При отжиге складываются условия, при которых возможна ускоренная диффузия примеси на стоки. Этот процесс приводит к неравномерному распределению примеси; — в процессе легирования методом ядерных превращений образуются нестабильные изотопы, и возникает наведенная радиоактивность. Это приводит к тому, что легированный материал требует выдержки для высвечивания активных изотопов до того, как пустить его в производство; - недостаточная изученность радиационно-физических процессов при ядерном легировании; - метод позволяет вводить в качестве примеси, элементы, расположенные в таблице Менделеева рядом с исходными, поэтому ограничением является также тип вводимой примеси. Основной сложностью при ядерном легировании нитрида галлия (GaN) по сравнению с другими полупроводниками является очень высокая термическая стабильность радиационных дефектов, образующихся в материале при действии быстрых нейтронов. Основные ядерно-физические характеристики исследуемого материала, схемы распада образовавшихся нестабильных изотопов до образования атомов стабильных элементов приведены в таблице 1.1. Настоящая методика выполнения измерений предназначена для измерений удельного электрического сопротивления, коэффициента Холла и определения на основе этих измерений типа электропроводности, концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда. Определение удельного электрического сопротивления основано на измерении разности потенциалов продольного электрического поля Ех и электрического тока Jx, вызываемого этим полем. Определение коэффициента Холла основано на измерении .разности потенциалов у поперечного электрического поля Еу, возникающего в образце, помещенном в магнитное поле с индукцией при протекании через него электрического тока Jx в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Тип электропроводности полупроводникового материала устанавливают по знаку ЭДС Холла в соответствии с рисунком 2.1. Концентрация и подвижность основных носителей заряда определяется расчетным путем на основании данных по измерению удельного электрического сопротивления и коэффициента Холла.
Основная относительная погрешность установки не должна превышать при измерении удельного электрического сопротивления ±5%, коэффициента Холла ±8% при контроле образцов с р 106 Ом-см. 2.1.2.2 Технические требования к элементам структурной схемы Магнит, обеспечивающий создание магнитных полей изменяемой полярности. Требования к техническим характеристикам магнита в зависимости от измеряемых параметров материала приведены в таблице 1.1. Измерительная установка располагается в экранированном помещении вдали от источников сильного электромагнитного излучения. Вырезается образец для измерения в форме квадрата (максимальная величина 20x20 мм), и затем соединяется со специальной платой. Возможно проводить измерения образцов, которые не имеют в точности формы квадрата, однако результаты измерения будут неточно представлять достоверные свойства материала. Особенно этому будет подвержено сопротивление материала. Припаиваются омические контакты к образцу, как показано на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 - Расположение контактов на образце. Надежное соединение выполняется для хорошего омического контакта. Если используются индиевые соединения, то хороший омический контакт поддерживается при температуре жидкого азота. Отжиг образца при соответствующей температуре и его продолжительность также могут улучшить омический контакт. Заполняется камера для образца, учитывая, что жидкий азот будет испаряться в процессе измерения. Полное испарение резервуара занимает около 1(Ь-15 минут. Запускается программа. Нажимается «Com. Test» в программе. Выбирается диапазон тока и вводится величина тока. Вводится величина магнитного поля и толщина образца. Нажимается «Measure» (до вставки- магнита). Позднее измеряются данные горизонтального, вертикального и диагонального направления. После измерения первичных данных, на экране автоматически демонстрируются их величины и сообщение «Insert Magnet N S». Вставляется магнит в направлении N S и нажимается «ОК». Система измеряет данные в диагональном направлении. После измерения вторичных данных, на экране автоматически демонстрируются их величины и сообщение «Insert Magnet S N». Вставляется магнит в направлении S N и нажимается «ОК». Система измеряет данные в диагональном направлении. Результаты измерений выводятся на экран. Если требуется изменить введенные данные после окончания измерений, то нужно ввести исправленные данные в программу и нажать «CALCUL».
Расчет параметров элементарных ячеек кристаллов
Полученные в эксперименте профили рефлексов предпочтительнее строить в программе обработки графиков Origin 6.1, затем определить угловое положение отражения как середину ширины пика на его полувысоте (с вычетом фона). Эти значения численно практически не отличаются от полученных более строгим способом — по центру тяжести пика, величин 9, а по воспроизводимости измерений даже несколько их превосходят. Вероятно, определение по центру тяжести «уводит» максимум из-за большого вклада областей при основании пика, что особенно заметно при большой ширине пика и небрежном отсечении фона. Рефлексы при больших углах 20, например (О О 18) А1203 на рисунке 2.12, имеют некоторую ассиметрию профиля. Здесь угол 20тах находится на пересечении линии, аппроксимирующей положения середин склонов пика, с линией проведенной горизонтально на половине высоты. Следует отметить, что часто рекомендуемый способ продолжения середин склонов вверх до пересечения с профилем пика в данном случае наименее точен из-за существующей ассиметрии вершин подобных рефлексов. Межплоскостные расстояния dhki связаны с углом отражения 0hki соотношением (2.2). В свою очередь для гексагональной сингонии параметры ячейки а и с определяются из формулы: Существует группа факторов, приводящих к систематическим ошибкам в измерении экспериментальной величины угла 0. Это отклонение поверхности образца от фокусирующей поверхности, смещение плоскости образца с оси гониометра, проникновение лучей в глубь образца, вертикальная расходимость первичного и дифракционных лучей, неточное определение -нулевого положения счетчиков, изменение факторов Лоренца и поляризации и др. Можно рассчитывать и вводить индивидуальные поправки для каждого фактора, но предпочтительней использовать экспериментальное нахождение зависимости величины определяемого параметра ячейки от экстраполядионной функции угла 0. В этом случае наиболее просто отыскать значения параметров элементарной ячейки кристалла экстраполяцией на угол 0=90, при котором влияние погрешностей минимально. Ниже приведены зависимости параметра с от выбранной спрямляющей функции, построенные по трем рефлексам: (006), (004), (002) - для GaN (рисунок 2.13); (0 0 18), (0 0 12), (0 0 6) - для А1203 (рисунок 2.14). Радиационные дефекты оказывают существенное влияние на свойства полупроводниковых материалов и приборов, изменяя концентрацию, подвижность, время жизни носителей заряда и другие параметры. . Многим радиационным дефектам соответствуют глубокие уровни-в запрещенной зоне кристалла, которые существенным образом влияют на время рекомбинации неосновных носителей заряда, что особенно существенно для работы оптоэлектронных приборов.
От характера глубокого центра зависит соотношение между излучателБной и безызлучательной рекомбинацией, т.е. квантовый выход света, частотные свойства прибора. Во многих случаях именно наличие глубоких уровней, расположенных в центре запрещенной зоны,, приводит к: полуизолирующим; свойствам, полупроводников (такие-образцы используются в качестве подложек электронных приборов). При нагреве или . освещении светом в процессе эксплуатации, устройств (светодиоды,. полупроводниковые лазеры, интегральные схемы и др.) происходит изменение: концентрации; глубоких уровней! ш как, следствие: деградация свойств приборов, поэтому необходимо определение изменения спектра глубоких уровней при термической обработке. Для определения параметров- глубоких уровней разработаны различные способы, в том числе ряд! емкостных методик. Наиболее часто применяется метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ), в английской транскрипции - Deep bevel Transient Spectroscopy (DLTS). Достоинствами этого метода является высокая чувствительность. Методика позволяет определить энергетическое положение уровня в запрещенной зоне, сечение захвата электрона или дырки на, глубокий уровень, концентрацию каждого.центра в отдельности, профиль концентрации центров. Емкостная спектроскопия глубоких уровней основана на изменении барьерной емкости барьерных структур при изменении концентрации электронов в зоне проводимости (дырок в валентной зоне) при перезарядке глубоких уровней. Барьерную емкость плоскостного диода С удобно представить в виде: где LD - дебаевская длина, є5 — диэлектрическая проницаемость полупроводника, Р = q/kT, q - заряд электрона, Уы — работа выхода, V — обратное смещение на диоде. Тогда наклон кривой 1/С2 в зависимости от напряжения смещения будет: где Ыв=п - концентрация носителей заряда. В методике НЕСГУ подается постоянное обратное смещение на диод. Для зондирования глубоких центров, расположенных внутри области истощения, подается первичный положительный импульс. Область пространственного заряда сужается и происходит быстрое заполнение глубоких уровней. После окончания положительного импульса происходит восстановление первоначальной ширины области пространственного заряда и релаксация ёмкости, связанная с эмиссией электронов с глубоких уровней (для материала п-типа). В случае электронной проводимости при ND n (ND - концентрация глубокого центра; п - концентрация свободных носителей заряда) наблюдается экспоненциальная релаксация емкости: где ДС - изменение емкости при t = О, обусловленное импульсом инжекции, t - время релаксации, х — постоянная релаксации. Время релаксации: где еп - вероятность перехода в единицу времени, v - скорость носителей заряда, а - сечение захвата носителей заряда, Nc — плотность состояний в зоне проводимости, AEd - энергетическое положение глубокого уровня относительно дна зоны проводимости. В основе метода НЕСГУ лежит измерение разности емкостей C(ti)-C(t2) при двух фиксированных временах ti и t2 в зависимости от температуры (рис. 2.15а). Из рис. 2.15 (б) видно, что кривая зависимости разности емкостей C(ti)-C(t2) от температуры имеет максимум. В максимуме постоянная времени спада равна: Из формулы видно (2.9), что изменяя ti и t2, можно изменять селектируемое время релаксации.
При этом, естественно, меняется температурное положение пика. В аналоговом режиме измерения НЕСГУ изменяя значения ti и t2 (при ti/t2=const) получают набор спектров при различных температурах. Используя положение максимума пика (Т) и уравнение (2.8) строим график зависимости log(l/x) от обратной температуры, из наклона которого определяют энергетическое положение глубокого уровня, а из пересечения прямой с осью ординат — сечение захвата ловушки. Концентрация глубоких центров (ND) рассчитывается из изменения емкости, соответствующей полному заполнению данных центров: Емкостный спектрометр СЕ-6 представляет собой аппаратно-программный комплекс (АПК) предназначен для исследования физических параметров, материала базы p-n-переходов, диодов Шоттки и МДП структур различными методами C-V-метрии. Определяемые параметры: - энергия ионизации центра; - концентрация центров; - профиль концентрации ловушек основных и неосновных носителей заряда; - скорость захвата носителей. Прибор состоит из следующих основных функциональных блоков: 1. Криостат с измерительной ячейкой, в которую помещается исследуемый образец, датчик температуры и нагревательный элемент. 2. Микропроцессорный пропорциональный интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор температуры образца, режим работы которого задается персональным компьютером. 3. Аналоговый высокочастотный модуль (АВМ). Он включает в себя высокочастотный мост полной проводимости, селективный программируемый усилитель высокой частоты (УВЧ), два синхронных детектора (СД), два усилителя постоянного тока (УПТ) и генератор высокой частоты (ГВЧ) для питания ВЧ моста. На выходы аналогового модуля выдаются два сигнала - Uc, пропорциональное величине разбаланса моста по емкости и Ug, пропорциональное проводимости образца. 4. Микропроцессорный модуль (ММ). Этот модуль включает в себя микропроцессор (МП), который, принимает от ПК задание режимов измерений, устанавливает на генераторах накачки образца необходимые уровни напряжений и токов, формирует временную шкалу, управляет работой АВМ и автоматически выполняет измерения в заданной температурной точке.
Полное число смещенных атомов
Для расчета числа смещенных атомов за счет нейтронов мы использовали средние значения величин. Для учета вклада в суммарную картину дефектов, возникающих в нитриде галлия от гамма-излучения, воспользуемся пиковыми значениями количества смещенных атомов под действием вторичных электронов (рис. 3.4). Полное число смещенных атомов, возникающих в GaN при облучении в канале активной зоны и периферийном канале реактора ВВР-ц вследствие различных видов взаимодействий с реакторным излучением, в зависимости от полученного флюенса быстрых нейтронов показаны на рисунках 3.5 и 3.6. Как видно, основной вклад в дефектообразование вносят быстрые нейтроны. Расчеты показывают, что суммарное количество смещенных атомов, возникающих в нитриде галлия, в зависимости от полученного флюенса быстрых нейтронов при облучении в различных каналах равно: Nd ш Кі-ФБ (в канале активной зоны), Nd К2ФБ (В периферийном канале), где К, - 340 [см"1], K2= 350 [см"1]. Исследовались зависимости электрофизических, свойств-специально- не легированных (п = 1-Ю см ) и легированных кремнием (и = (1-2)-10 . см, ) эпитаксиальных пленок и-GaN от флюенса реакторных нейтронов и температуры последующей термообработки. Эпитаксиальные пленки нитрида галлия толщиной 4: мкм и диаметром до 50: мм выращивались на подложке . А120з (0001) методом газофазной эпитаксии с использованием металлорганических соединений (M0CVD); Для измерений использовались образцы размером 10x10; мм, вырезанные из пластин; Облучение структур-проводилось в вертикальных каналах ядерного реактора.ВВР-ц НИФХИ" им; Л.Я; Карпова (г. Обнинск) полным спектром реакторных нейтронов в-интервале флюенсов тепловых нейтронов от 2-10 см?" до 8-Ю см при соотношении плотностей? потоков- тепловых/быстрых нейтронов в потоке (РТ/ РБ 1 .В зоне облучения плотность потока тепловых нейтронов составляла, срт = 3.75-Г0=3 Измерение сопротивления облученных высокоомных образцов проводилось двухконтактным методом, путем: измерения; тока, протекающего через образец, на установке с пределом измерения порядка Ю 13 А, с последующим расчетом удельного электрического сопротивления материала (р).
Измерение: электрофизических параметров низкоомных образцов-проводилось четырехконтактным методом Холла на автоматизированной установке HMS-3000 при комнатной температуре. Свойства образцов нитрида галлия с различной исходной концентрацией носителей заряда до облучения, а также после облучения полным спектром реакторных нейтронов и термообработки при 1000 С приведены в таблице 4.1 и на рисунках 4.1 и 4.2. На кривой зависимости р(Ф) можно выделить 2 области: 1 — на начальных этапах облучения с ростом флюенса нейтронов до значений порядка (1— 2)-10 см- удельное сопротивление я-GaN растет до величины около 1010 Ом-см при ЗООК за счет преимущественно образования в материале глубоких радиационных дефектов акцепторного типа (область «меньших доз» облучения); 2 — при дальнейшем увеличении флюенса удельное сопротивление, проходя через максимум, уменьшается до значений 2-Ю6 Ом-см, что объясняется появлением прыжковой проводимости по перекрытым оболочкам областей разупорядочения (область «переоблучения»). ЕГ этой области дозовые кривые р(Ф) не зависят от свойств исходного материала, а целиком определяются плотностью радиационных дефектов. Следует отметить, что при флюенсах нейтронов 1.5-10 см вклад исходной концентрации легирующей примеси кремния (2-10 см ) в определяемые значения конечных параметров облученного материала еще заметен. Сразу после облучения значение удельного сопротивления ниже в исходно легированных образцах. При больших флюенсах нейтронов параметры облученных материалов становятся одинаковыми независимо от исходной коцентрации примеси и определяются, в основном, высокой1 концентрацией вводимых радиационных дефектов. При дозах облучения, менее (1-2)-10 см" , дозовые зависимости удельного сопротивления «-GaN при нейтронном облучении можно описать в предположении компенсации исходной проводимости материала глубокими РД. Такие глубокие ловушки в облученном нейтронами и-GaN исследовались в ряде работ, например [82], методами DLTS. При этом уменьшение удельного сопротивления материала при больших флюенсах нейтронов можно связать с появлением прыжковой проводимости носителей заряда по состояниям радиационных дефектов в «переоблученном» материале. Поэтому дозовую зависимость удельной проводимости в облученном нейтронами GaN можно соответственно записать в виде суммы соответствующих проводимостей Здесь рі(Ф)"1 еп(Ф)/л{Ф) eNcexp{-(0)/kT}, /г(Ф) — проводимость, обусловленная свободными электронами зоны проводимости, где е — заряд электрона, /л — подвижность электронов, Nc = 2.6-1018 см"3 - плотность состояний, приведенная ко дну зоны проводимости GaN, F — уровень Ферми. Известно, что жесткое облучение GaN приводит к закреплению уровня Ферми вблизи его предельного значения-F]im Ес - 0.85 эВ [82]. При этом расчетные значения энергетического положения уровня локальной зарядовой нейтральности (CNL) для GaN, тождественные Fjm, соответствуют значению Ес - 0.81 эВ [83]. Таким образом, в результате облучения GaN уровень Ферми из своего исходного положения, задаваемого уровнем легирования химической примесью, движется в направлении Fiim Ес - 0.8 эВ, что и приводит к уменьшению плотности свободных электронов и росту удельного сопротивления «-GaN при флюенсах нейтронов, меньших 1-10 см . При этом также имеет место уменьшение подвижности свободных электронов, однако, менее существенное. Так, эксперименты на облученном и-GaAs показывают, что при смещении уровня Ферми. в положение вблизи Fiim Еу + 0.6 эВ для данного материала величина JU снижается менее чем на порядок, в то время как значение р увеличивается более чем на. 10 порядков для исходного-нелегированного и-GaAs [84].
Принимая это во внимание, можно из; кривой зависимости р(Ф) оценить положение уровня Ферми на первом участке облучения, а также предельные значения. р(Ф) в. облученном нейтронами GaN. Выполненные оценки показывают, что р(Ф)і,т 2- 10ю Ом-см при 300 К. В области «больших» флюенсов материал имеет степень- компенсации, близкую к 1, а уровень Ферми закреплен вблизи Ее — 0.8 эВ. При этом уменьшение удельного сопротивления материала в этой области обусловлено доминированием прыжковой проводимости носителей заряда по состояниям РД, уровни которых расположены вблизи уровня FIim. Это явление достаточно хорошо исследовано для «переоблученных» полупроводников с широкой запрещенной зоной, в которых уровень Ферми в результате облучения закрепляется глубоко в-запрещенной зоне кристалла, например, для GaAs [84]. Проводимость такого материала зависит от плотности РД, т.е. пропорциональна Ф1/3, так что дозовая зависимость прыжковой проводимости «переоблученного» GaN может быть записана эмпирическим соотношением вида здесь в качестве величины о0 взято значение р(Ф)ит"1 = 5-Ю"11 Ом -смТ1;.. подгоночный параметр v включает скорость введения РД, по которым осуществляются прыжки носителей; заряда, и параметры теории прыжковой проводимости. Используя экспериментальные данные рисунка 4.1 было оценено значение v 1.22-1017 см? для GaN, облученного нейтронами. Термообработка облученных образцов проводилась в резистивной печи в вакууме в течение 20 мин в интервале температур 100—1000 С. До и после термообработки- образцы освежались, в кислотном травителе с целью устранения следов контакта и возможного окисления. На рисунке 4.17? представлена зависимость, удельного электрического сопротивления от температуры отжига нелегированных, а также легированных кремнием в исходном, состоянии (кривая 1а) эпитаксиальных пленок GaN, облученных разными флюенсами реакторных нейтронов (Ф = 2-Ю16—8-Ю 9 см ). Как видно, изменение электрических свойств облученных,образцов.при? отжиге зависит от флюенса нейтронов. При этом можно выделить " образцы, облученные «меньшими» дозами (группа 1), и «переоблученные» образцы (группа 2). Для материала группы / можно-выделить три ос новные стадии отжига радиационных дефектов при температурах 100—300; 300-700 и 700-1000 С. Отжиг в интервале температур 100—300 G (первая стадия) приводит к уменьшению удельного сопротивления образцов, что, по-видимому, вызвано частичной аннигиляцией точечных дефектов преимущественно акцепторного типа путем миграции к стокам и рекомбинации межузельных атомов и вакансий.
Влияние облучения высокоэнергетическими электронами и температуры отжига на емкостные параметры нитрида галлия
Вольт-фарадные характеристики (ВФХ), измеренные на нелегированном образце и на двух легированных кремнием образцах дали, соответственно, концентрации нескомпенсированных доноров, равные 1.2-10 см" ,2-10 см" и 2-10 см" . При этом в нелегированном образце в профиле концентрации наблюдалось присутствие области п+ с высокой концентрацией электронов вблизи интерфейса с сапфировой подложкой. В нелегированных образцах, вырезанных из разных пластин различались как концентрации вдали от интерфейса - так сказать объёмные концентрации (от 1014 до 1015 см"3), так и концентрации в интерфейсной области (от 10 до 10 см" ; для того образца, который взят как нелегированный в этой работе, концентрация в интерфейсной области превышала 10 см , что будет видно из дальнейшего рассмотрения). ВФХ исходных и облучённых образцов показаны на рисунках 6.8, 6.9. В адмиттанс-спектрах ярко выраженных ловушек в исходных образцах не обнаружено. В спектрах РСГУ наблюдались две электронные ловушки с энергиями активации 0.25 эВ и 0.6 эВ. Исходные спектры сравниваются для нелегированного образца и образца с промежуточным легированием (рис. 6.10). Концентрация ловушек заметно возрастала с ростом концентрации доноров (с 1.2-1012 до 1.5-1014 см"3 для ловушек 0.25 эВ, с 8.8-1012 до 2.8-1014 см"3 для ловушек 0.6 эВ). В спектрах ОРСГУ преобладали дырочные ловушки с энергией активации 0.95 эВ (рис. 6.11). Концентрация этих ловушек росла с ростом легирования кремнием (8-10мсм"3 в нелегированном образце против 2-Ю15 см"3 в образце с промежуточным легированием). Изменение концентрации ловушек коррелировало с изменением интенсивности жёлтой полосы люминесценции в исходных образцах (рис. 6.12), что согласуется с высказываемым в литературе предположением о природе ловушек 0.95 эВ как комплексов вакансий галлия с кремнием [103]. Облучение нелегированного образца электронами с энергией 7 МэВ привело уже для первой дозы 10 см" к компенсации объёмной проводимости, так что весь объём плёнки вплоть до интерфейсного слоя был полностью обеднён.
Ёмкость при этом была близка к геометрической, отсечка в ВФХ была очень большой, а измеряемая концентрация составляла для п слоя 2-10 см" (рис. 6.8). Повышение дозы до 10 см" оказало слабое влияние на концентрацию в интерфейсном слое, которая даже после облучения дозой 10 см была всё ещё близка к 3-10 см (рис. 6.8). Измерение адмиттанс-спектров на таком сильно облучённом образце (рис. 6.13) указывало на преобладание среди электрически активных центров электронных ловушек с энергией ионизации 0.15 эВ, которые являются хорошо известным радиационным дефектом в нитриде галлия [104, 105]. В качестве исходных образцов для облучения могут быть использованы монокристаллические пластины полупроводниковых соединений АШВУ с качественной структурой диаметром до 4 дюймов (ограничение по размеру связано с размером имеющихся вертикальных каналов в реакторе ВВР-ц. Все поступающие образцы подвергаются входному визуальному контролю и регистрируются в специальном журнале учета. При этом указываются: "заказчик", дата поступления, номер партии и каждого образца в отдельности, геометрия, вес, исходные значения удельного сопротивления, концентрации и подвижности носителей заряда, тип проводимости, условия выращивания, а также, если это ядерное легирование, то и требуемый номинал (концентрация) легирования. При необходимости осуществляется проверка отдельных исходных данных пластин. Далее для ядерного легирования проводится расчет режимов облучения по формуле (3). Конечным результатом расчета режимов облучения, после подстановки значений соответствующих констант в формулу, является определение времени облучения. Образцы, поступающие после механической резки, подвергаются: промывке в ацетоне, травлению в кипящем растворе соляной кислоты и обезжириванию. Упаковка образцов осуществляется в алюминиевую фольгу. Образцы упаковываются в виде последовательно размещенных столбиков пластин, завернутых в алюминиевую фольгу. Если проводится опыт по облучению образцов быстрыми нейтронами реактора, то завернутые в алюминиевую фольгу образцы помещаются в кадмиевый контейнер с толщиной стенки 1 мм. На упаковке указывается номер экспериментального канала, время облучения и регистрационный номер в журнале или номер паспорта. Облучательное устройство представляет собой блок-контейнер 0 56x550 (250) мм (или 0 96x550 (250) мм), изготовленный из сплава САВ-1 (рис. 7.1). После загрузки образцов б/к заливается дистиллированной водой на 2/3 объема и герметизируется свинцовой прокладкой (дно б/к сварное) или заваривается. Далее б/к с образцами передается на облучение. Возможно облучение в "дырочных" б/к с целью увеличения теплоотвода от облучаемых образцов. Температура воды в экспериментальных каналах не превышает 70 С. В случае использования блок-контейнеров, имеющих остаточную радиоактивность, загрузка слитков осуществляется с соблюдением требований радиационной безопасности при работе с открытыми радиоактивными источниками.
На каждую упаковку составляется технологический паспорт, в который в дальнейшем заносятся все технологические операции, проводимые с образцами. Облучение проводилось в исследовательском водо-водяном реакторе ВВР-ц (рис. 7.2-7.4). Энергетический спектр нейтронов в реакторах с водяным охлаждением, к которым относится реактор ВВР-ц, описывается максвеловским распределением. Средняя "температура нейтронов" в реакторе ВВР-ц составляет 350 К. Размер активной зоны реактора составляет 60x60 см. Замедлителем и теплоносителем служит вода двойной дистилляции. Все конструкционные детали внутри реактора выполнены из алюминиевого сплава CAB. Номинальная мощность реактора 15 МВт. Реактор ВВР-ц оснащен несколькими десятками вертикальных каналов диаметром от 40 до 120 мм на различном удалении от активной зоны, имеющие воздушное и водяное охлаждение (рис. 7.4, 7.5). Облучение образцов проводилось в вертикальных каналах активной зоны реактора (канал 8-9) и на периферии в отражателе реактора (канал 9 — 96 см от центра активной зоны). Распределение плотности потока нейтронов по высоте канала имеет синусообразную форму и делится условно на три этажа, где 2 этаж находится в центре активной зоны, т.е. в максимуме (рис. 7.6). После спада наведенной радиоактивности до допустимого значения образцы извлекаются из б/к. Вода из б/к сливается в спецканализацию. Образцы выгружаются и стандартными механизмами передаются на длительное хранение. После спада наведенной радиоактивности до допустимого уровня помещения II класса образцы передаются в комнату 220 зд. 1. Виды работ и количество поступивших образцов лимитируются величиной суммарной активности изотопов на рабочем месте, которая не должна превышать 4,5-10 Бк. Выдача облученных образцов осуществляется дежурным дозиметристом в установленном порядке. Облученные образцы упаковываются в полиэтиленовые пакеты и переносятся в помещение лаборатории №8 в полихлорвиниловом ведре. В помещении 220 образцы освобождаются от упаковочной фольги и дезактивируются кислотными травителями согласно существующим инструкциям на рабочем месте. При этом используются фторопластовые и полихлорвиниловые ванночки и пинцеты. Работы проводятся в вытяжном шкафу. Твердые радиоактивные отходы укладываются в сборник и передаются на захоронение. Облученные образцы подвергаются травлению, затем промываются в дистиллированной воде, сушатся и передаются на дозиметрический контроль. После дозиметрического контроля образцы упаковываются в полиэтиленовые пакеты с надписью и хранятся в металлическом сейфе до спада наведенной радиоактивности до уровня фона. Остатки радиоактивных травильных смесей после нейтрализации едким натрием или технической содой сливаются в спецканализацию (рН = 6 -г- 7,5).
