Оглавление
ВВЕДЕНИЕ : ,.....................................................'.....6
1 РЛДИАЦИОТ ШО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ваН ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ЯДЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)............................. 11
1.1 Радиационио-физические процессы в ваЫ 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; 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 "НМЭ 3000"..................................... 28
2.1.1 Измерение удельного электрического сопротивления высокоомных образцов ваН 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 (ПЬТБ) спектрометра 50
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...........................................52
3 ПРОВЕДЕНИЕ РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ПЕРВИЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ОаИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ В РЕАКТОРЕ ВВР-ц.............................'..........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 ваИ 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 ваИ от флюенса полного спектра реакторных нейтронов и температуры отжига.................85
3
6 ЕМКОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СПЕКТРЫ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ
ОБРАЗЦОВ ваИ..........................................................92
6.1 Влияние облучения реакторными нейтронами и температуры отжига на
емкостные параметры нитрида ідллия....................................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 и .выгрузка 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
Список используемых источников.......................................123
4
Перечень сокращений, символов и специальных терминов
р - поверхностное удельное сопротивление (Ом-см)
2DEG - двумерный электронный газ D - доза (флюенс) электронного облучения (см'2)
DLTS (РСГУ) - релаксационная спектроскопия глубоких уровней Ес — дно зоны проводимости Ev - потолок валентной зоны GaN - нитрид галлия
MOCVD — Metal-Organic Chemical Vapor Deposition — химическое осаждение из газовой фазы металлоорганических соединений
PICTS - фотоэлектрическая релаксационная токовая спектроскопия тока
PL — фотолюминесценция
ВВР-ц - водо-водяной реактор “целевой”
ВФХ - вольт-фарадные характеристики
ГУ - глубокий уровень
КР - комбинационное рассеяние
MKJI - микрокатодолюминесценция
ОПЗ - область пространственного заряда
РД - радиационный дефект
СТД - собственные точечные дефекты
Ф - флюенс частиц (см'2)
ФЭРС — фотоэлектрическая релаксационная спектроскопия ЭПР - электронный парамагнитный резонанс ЭС - эпитаксиальный слой ЯЛ - ядерное легирование
5
ВВЕДЕНИЕ
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 ваТЯ. 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 монокристалл и ческие пластины ваК
В последние годы интерес к нитриду галлия значительно возрос в связи с практическими успехами в получении высококачественных эпитаксиальных слоев (ЭС) и реализации на их' основе эффективных светоизлучающих диодов для синей и сине-зеленой областей спектра^ а также синих лазерных диодов, работающих при температуре 20 °С. Результаты этих исследований и разработок нашли отражение в большом количестве публикаций, а также в ряде обзорных работ, освещающих последние достижения в этой области [1-12].
Управление свойствами полупроводников путем легирования их нужными примесями до заданных концентраций является основным технологическим приемом при создании любых приборов твердотельной электроники. Атомы примеси создают в запрещенной зоне полупроводника локальные уровни и служат либо поставщиками электронов или ловушками для них, либо центрами излучательной или безизлучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Именно контролируемое введение примесей позволяет в широких пределах менять электропроводность полупроводников, тип проводимости, время жизни неравновесных носителей, подвижность
6
электронов и дырок. Примесные атомы вводятся на разных стадиях технологического процесса в объем слитков или слоев при их росте, в тонкие слои — так, чтобы сформировать нужные структуры. В настоящее время существует множество технологических методов; основные из них: введение примеси в расплав или газовую среду при получении кристаллов и пленок, диффузия примеси из поверхностных источников, внедрение примеси из пучка ускоренных ионов, создание требуемой примеси посредством ядерных превращений атомов вещества при облучении нейтронами и заряженными частицами.
Основные области применения облучения различными частицами в технологических целях: I) у-кваиты, электроны, быстрые нейтроны —
направленное изменение параметров полупроводниковых материалов и приборов, имитация повреждений от космического излучения; 2) протоны -локальное введение дефектов с целыо изменения оптических свойств материала и характеристик полупроводниковых структур; 3) другие ионы - ионное легирование, синтез, управление оптическими свойствами материала; 4) медленные нейтроны - ядерное легирование.
Впервые эксперименты по ЯЛ полупроводникового материала проведены на германии, затем последовала очередь кремния и бинарных соединений [13].
В нашей стране практическую реализацию технология ЯЛ кремния получила около 50 лет тому назад на базе реактора ВВР-ц Филиала ФГУП РФ "НИФХИ им. Л.Я. Карпова" с последующим ее внедрением на ряде исследовательских и промышленных ядерных реакторов (Томск, Киев, Минск, ЛАЭС, ЧАЭС, САЭС и др.) [14 - 23]. Кроме кремния разработана технология ЯЛ арсенида галлия. Технология доведена до выпуска опытных партий пластин диаметром до 4 дюймов [24 - 36].
Применение метода 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 РД от различных внешних условий: исходного примесного и дефектного состава материала, параметров применяемого излучения (энергия, интенсивность, доза), температуры.
Выбор направления и объектов исследования обусловлен не только исключительно важной практической значимостью полупроводников в современном полупроводниковом приборостроении, но и высокими требованиями, предъявляемыми на мировом уровне к качеству и
геометрическим размерам получаемых монокристаллов, а также широким применением радиационных технологий в материаловедении и современном приборостроении.
Знание и понимание физических процессов, происходящих в
полупроводниковом материале после облучения реакторными нейтронами и термообработки, необходимы для: определения возможности ЯЛ и
радиационного модифицирования свойств материалов; разработки и реализации на практике технологии ядерного1 легирования и радиационного модифицирования свойств полупроводниковых соединений АШВУ; оценки радиационной стойкости и работоспособности материалов и приборов на их основе в жестких радиационных полях и в условиях космического пространства; создания материалов с требуемыми физическими и физикохимическими свойствами для микро- и наноэлектроники.
Цель работы — установление закономерностей протекания радиационнофизических 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.
8
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать методику расчета количества смещенных атомов в ваЫ при облучении в исследовательском ядерном реакторе с учетом вклада различных составляющих реакторного излучения (нейтроны, гамма-кванты, атомы отдачи);
- исследовать изменение электрофизических, структурных и емкостных параметров образцов ваЫ 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 легирующей примеси в исходном состоянии на характер образования и отжига радиационных дефектов в .облученных монокристаллах СаЫ;
- получить расчетную формулу для определения концентрации вводимых в результате ядерного легирования донорных примесей атомов германия в зависимости от флюенса тепловых нейтронов.
Научная новизна:
- проведен расчет значения концентрации вводимых в результате ядерного легирования донорных примесей ве в ваЫ: Ксс = К-Фт, К = 0.126 [см'1];
- впервые комплексно изучены электрофизические, структурные и емкостные свойства СаИ, облученного большими флюенсами реакторных
IО О
нейтронов (до 8-10 см’ );
- экспериментально определена роль легирующей примеси в исходном состоянии на процесс образования и отжига радиационных дефектов в ваИ;
- на основании исследования электрофизических и структурных характеристик выявлены следующие стадии отжига РД в облученном нитриде галлия -(100-5-300) °С, (300-700) °С, (700-1000) °С;
- методами РСГУ и адмиттанс-спектроскопии определены параметры глубоких уровней облученного нитрида галлия.
Практическая ценность:
- экспериментально определены условия облучения (плотность потока нейтронов, соотношение плотностей потоков тепловых и быстрых нейтронов, среда, температура), режимы последующей термообработки (температура, среда, скорости нагрева и охлаждения) и требования к исходному материалу (концентрация носителей заряда, структура) для разработки технологии ядерного легирования ва!^;
- 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 использованы как физические основы для дальнейшей разработки технологии ядерного легирования и радиационного модифицирования нитрида галлия на базе действующих исследовательских и промышленных ядерных реакторов.
10
1 РАДИАЦИОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ва!Ч ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ЯДЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
1.1 Радиационно-физические процессы в Са1Ч' под воздействием различных видов ионизирующего излучения
Среди полупроводниковых материалов, применяемых для решения многообразных практических задач современной электроники, одно из главных мест занимают соединения элементов III и V групп - ОаАэ, ваР, 1пР, СаБЬ, 1пБЬ, 1пАб и ваМ Обладая рядом общих черт, указанные- соединения имеют множество существенных отличий в физико-химических характеристиках, физических и структурных параметрах, что обусловливает широту применения этих материалов в современной науке, инновационной технике, медицине и в бытовой технике.
Наиболее перспективным на сегодняшний день является широкозонный полупроводник на основе нитрида галлия (СаГ!). Благоприятное сочетание ряда физико-химических свойств ваЫ открывает широкие перспективы применения в различных областях электронной техники. Высокая термическая и химическая стойкость дают возможность использования ваЫ для изготовления приборов, работающих в неблагоприятных температурных и химических условиях. Хорошая теплопроводность ваИ снимает многие проблемы охлаждения рабочей области приборов, а сочетание высокой скорости насыщения концентрации электронов и значительного напряжения пробоя делает пригодным ваИ для изготовления мощных высокочастотных и высокотемпературных транзисторов. Так, 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 (СаЛэ). Широкое использование получил ваЫ в сочетании с 1пИ и в
11
- Київ+380960830922