ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

Литовченко
Олексій Петрович

УДК 534.29

Вплив попереднього опромінення
на преципітацію кисню і радіаційну стійкість кремнію
для детекторів ядерних випромінювань

(01.04.07. - фізика твердого тіла)

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук

Чернівці – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науковому центрі "Інститут ядерних досліджень" НАН України,

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Сугаков Володимир Йосипович,

Науковий центр "Інститут ядерних досліджень" НАН України,

завідувач відділом ;

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Корбутяк Дмитро Васильович,

Інститут фізики напівпровідників

НАН України, завідувач відділом ;

доктор фізико-математичних наук, професор

Фодчук Ігор Михайлович,

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича,

професор кафедри фізики твердого тіла

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра загальної фізики фізичного факультету.

Захист відбудеться "21" вересня 2001 р. о "17"годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича. за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий " 03 " серпня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основним матеріалом для сучасної твердотільної електроніки являється кремній. Для різних видів детекторів ядерних випромінювань використовується високоякісний Si, вимоги до якого неухильно зростають. Кремнієві детектори ядерних випромінювань використовують у різних ядерно-фізичних експериментах на прискорювачах ядерних частинок, атомних реакторах та в інших областях.

Оскільки детектори працюють у змішаних полях ядерної радіації, важливо підвищити їх радіаційний ресурс для подовження терміну їх функціонування. Особливо це важливо для експериментів, які проводяться на багатодетекторних ядерних установках CERN (Женева), ОІЯД (Дубна), НЦ ІЯД НАНУ та інших.

Кисень являється однією з технологічних домішок, яка завжди присутня в Si у різних концентраціях. При термічних і радіаційних обробках він приймає участь у різних домішково-дефектних комплексах (А-центри, преципітати SiO2), які суттєво впливають на властивості матеріалу та характеристики приладів на його основі. Тому дослідження впливу попереднього опромінення на преципітацію кисню і радіаційну стійкість кремнію являються актуальними з наукової й практичної точки зору.

Незважаючи на те що дослідники займаються цією проблемою багато років, залишилось багато невирішених питань.

Зв’язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках наступних тем:

1. “Кінетика перебудови дефектно-домішкових комплексів при радіаційно-термічних обробках кремнію і бінарних напівпровідників”, 1995–1999 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 1 від 21.01.1995 р., № ДР 0195U026117, Держ. облік. № 0299U004122).

2. “Електричні властивості розупорядкованих напівпровідників та використання радіаційних ефектів при створенні напівпровідникових детекторів ядерних випромінювань”, 1997–2000 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 10 від 24.12.1996 р., № ДР 0197U016405, Держ. облік. № 0201U001587).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є з’ясування впливу попереднього опромінення на преципітацію кисню в кремнії та розробка методів підвищення радіаційної стійкості кремнію для твердотільних детекторів ядерних випромінювань.

Для досягнення визначеної мети вирішувались такі задачі:

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження –– кінетика преципітації кисню в опроміненому кремнії; вплив попереднього опромінення на радіаційну стійкість кремнію, характеристики детекторів ядерних випромінювань.

Предмет дослідження –– монокристалічний кремній, вирощений методом Чохральського та безтигельної зонної плавки, попередньо опромінений та нейтронно-легований кремній, детектори ядерних випромінювань.

Методи дослідження –– Основними експериментальними методами були:

вимірювання оптичного поглинання світла у кремнії в інфрачервоній області;

вимірювання температурної залежністі Холл-ефекта;

вивчення структурних дефектів методом вибіркового травлення та електронної мікроскопії;

виміри спектрометричних та електрофізичних характеристик детекторів.

Наукова новизна одержаних результатів. Переважна більшість приведених у дисертації результатів є оригінальними і новими. Основними з них є:

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення одержаних результатів. Використання попереднього опромінення дозволяє підвищити радіаційну стійкість кремнію, що важливо для виготовлення різних типів приладів твердотільної електроніки.

Введення за допомогою опромінення центрів зародків преципітатів дозволяє прискорити процес очищення кремнію від домішок.

На основі високоомного безкисневого кремнію розроблені дозиметри із підвищеною чутливістю та детектори ядерних випро-мінювань з підвищеною радіаційною стійкістю на основі нейтронно-легованого кремнію.

Особистий внесок здобувача. Дисертант безпосередньо брав участь у постановці задач та визначенні методів їх, вирішення; він особисто поставив експериментальні методики для досліджень, виконав повний обсяг експериментів та вимірювань, результати яких лягли в основу роботи [1-12]. Автору належить суттєва роль в обробці та інтерпретації результатів, накопичених у результаті проведених досліджень [1-5], створенні моделей фізичних процесів та написанні наукових статей [1-10, 12].

Апробація результатів роботи. Основні результати досліджень, викладені в дисертаційній роботі, доповідались й обговорювались на семінарах відділу радіаційної фізики НЦ ІЯД НАНУ, на щорічних наукових конференціях НЦ ІЯД НАНУ (1998, 1999, 2000, 2001 рр.), на Міжнародних нарадах і конференціях: 9th International Congress on Radiation Protection (Vienna, Austria, 1996).
12th International Conference on Solid State Dosimetry (Burgos, Spain, 1998).5th International Conference on Application of semiconductor detectors in nuclear physical problems (Riga, Latvia, 1998). 3rd ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors, DESY (Hamburg, Germany, 1998). 4th ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors, CERN (Geneva, Switzerland, 1998). ROSE Meeting on Radiation Hardening of Silicon Detectors, CERN (Geneva, Switzerland, 1999).

Публікації. В ході виконання роботи за темою дисертації опубліковано 12 робіт, в тому числі 4 у фахових журналах, 6 у збірниках наукових праць регіональних і міжнародних конференцій та 2 тезах міжнародних нарад. Перелік публікацій наведено в кінці автореферату.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 168 найменувань. Загальний обсяг роботи складає 155 сторінок і містить 42 ілюстрації та 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи: розкрито сутність і стан наукової пробле-ми, обґрунтовано необхідність проведення досліджень і відзначено актуальність теми дисертації; сформульована мета роботи; відзначена новизна отриманих результатів та їх практичне значення; відзначено особистий внесок здобувача.

В першому розділі проведено огляд літератури за темою дисертації. розглянуто механізми виникнення основних типів радіаційних дефектів в кремнії і описано їх властивості.

Проведено аналіз робіт по впливу ядерної радіації на електрофізичні властивості надчистого кремнію. Висвітлена поведінка кисню в кремнії. Відзначається, що зародження кисневокремнієвих мікропреципітатів відбувається безперервно вже в процесі охолодження вирощеного зливка кремнію, розмір їх визначається умовами охолодження. При наступній термообробці в кремнії спостерігається утворення преципітатів, що виростають із ростових мікропреципітатів, а також ті, які виросли із зародків, що гомогенно сформувалися при нагріванні.

У другому розділі описано основні експериментальні методики й установки, які використо-вувались у роботі. Основними методами досліджень являються: ефект Холла, оптичний, елек-тронномікроскопічний, вибіркове травлення кремнію та спектрометричне обладнання для виміру енергетичних спектрів ядерних частинок твердотільними детекторами. Дослідження структури зразків кремнію виконувались на електронному мікроскопі BS 620 “Tesla” із прискорюючою напругою до 100 кВ. Спектроскопічні дослідження проводились на спектрофотометрі Spe ІR по вимірюванню коефіцієнта поглинання кремнію в максимумі смуги 1110 см-1 при кімнатній температурі, та спектрів поглинання кремнію в області 10001300 см-1, яке є характерним для різних видів окислів кремнію.

Опромінення зразків Si проводилось на реакторі ВВР-10М та циклотроні У-240
НЦ “Інститут ядерних досліджень” при температурах не вище 70oС.

У третьому розділі приведено результати дослідження впливу попереднього опромінення на преципітацію кисню в кремнії при термообробці. Досліджувалась залежність швидкості пре-ципітації надлишкового кисню в кремнії, попередньо опроміненого швидкими нейтронами в інтервалі флюенсів 10151019 н/см2, від температури термообробки.

Кінетика преципітації надлишкового кисню в зразках Si, термооброблених при 600С, 700С, 800С та 1000С, вивчалася методами інфрачервоної спектроскопії та вибіркового травлення. Досліджувався кремній, вирощений у напрямку [100], із початковою концентрацією розчиненого кисню 781017 см-3. Тривалість відпалу складала 0,5400 годин. Концентрація кисню на різних етапах ізотермічного відпалу для кожної з досліджуваних температур контролювалася за коефіцієнтом поглинання в максимумі смуги 1110 см-1 при кімнатній температурі. На рис.1 приведені кінетичні залежності = f(t) для досліджуваних температур відпалу зразків. Спосте-рігається зменшення величини з часом термообробки, що свідчить про зменшення кількості розчиненого кисню в зразках унаслідок виходу його з розчину. Видно, що в зразках, опромінених різними флюенсами швидких нейтронів, коефіцієнт спадає з часом відпалу значно швидше, ніж у неопроміненому кремнії.

Рис.1 Залежність коефіцієнта поглинання в макси-мумі смуги 1110 см-1 для кремнію, опроміненого різними флюенсами швидких нейтронів, від часу відпалу при: а) 600oС, б) 700oС, в) 800oС.

Для кількісного порівняння в таблиці 1 приведені значення часу tп-50%-го зменшення величини , тобто часу половинного зменшення концентрації розчиненого кисню в опромінених кристалах.

Таблиця 1.

Час tп 50% преципітації кисню в кристалах кремнію після нейтронного опромінення та відпалу.

Т,C | Ф=1015н/см2 | Ф=51016н/см2 | Ф=1018н/см2

600 | 70 год. | 50 год. | 15 год.

700 | 22 год. | 14 год. | 14 год.

800 | 16 год. | 12 год. | 10 год.

Для неопромінених зразків зміна величини для даних часів відпалу і досліджених темпе-ратур становила менше 50%, тому дані для них у таблиці відсутні. Таким чином, як видно з рис. 1 та таблиці 1, преципітація кисню в опромінених зразках кремнію відбувається за менший час відпалу, ніж у неопромінених. З порівняння величин tп для різних температур обробки зразків видно, що tп зменшується з ростом температури нагріву. При опроміненні кремнію флюенсами нейтронів більшими 51016 н/см2 різниця в tп для досліджуваних температур відпалу стає малою.

Залежності (t) були проаналізовані з метою отримання даних про поведінку кисню на різних етапах ізотермічного відпалу.

Якщо вважати, що кінетика преципітації кисню визначається дифузією атомів кисню та власних точкових дефектів кремнію і припустити, що преципітати нової фази SiOx мають сферичну форму, а їх концентрація і коефіцієнт дифузії кисню залишаються постійними при відпалі, то, при певній термообробці кремнію зміна концентрації кисню з часом відпалу матиме вигляд:

, (1)

для малої тривалості відпалу, коли менше 50 % розчиненого кисню бере участь у преципітації.

При тривалому відпалі:

; (2)

де: Со — початкова концентрація кисню в кремнії;

Сt — концентрація кисню, що залишився в розчині;

С' — концентрація кисню, що відповідає межі розчинності його в кремнії при температурі обробки;

Сp — концентрація кисню в преципітаті (~ 4 1022 ат/см3 для SiO2 ) ;

D — коефіцієнт дифузії кисню в кремнії;

r — радіус сфери навколо преципітату, який визначається зі співвідношення 4/3R3N = 1,
де N –– концентрація преципітатів.

Для визначення кінетичних показників з експериментальних даних (рис. 1) були побудовані в логарифмічному масштабі криві згідно з рівнянням (1), (2). Нахили кривих характеризують показники степені при t у рівняннях (1), (2).

При відпалі неопроміненого зразка кремнію до 400 годин при 600С нахил кривої складав 1,71,9, тобто виявився близьким до показника степеню при t в рівнянні (1). Для зразків кремнію, опромінених флюенсами 1015 і 51016 н/см2, відповідний нахил зменшувався до 1, а після опромінювання зразків флюенсом 1018н/см2 цей показник зменшувався до 0,4. При 700С відпалі для неопроміненого зразка від часу відпалу нахил має значення 1,7. Після опромінення флюенсом 1015 н/см2 подібний нахил на кінетичній залежності зберігався до 30 годин відпалу, але далі він зменшувався до 0,7 при подальшому відпалі. Зі збільшенням потоку опромінення спостерігався тільки один нахил близький до 0,7.

При 800С відпалі зразків кремнію, опромінених флюенсом 1015 н/см2, спостерігаються два нахили, що відповідають залежностям t1,82, t0,70,8. Перший нахил спостерігається до 10 годин нагріву. При подальшому збільшенні флюенсу опромінення він зникає й залишається один нахил, близький до 1. Останнє дає підставу вважати, що процес преципітації кисню в кремнії набли-жається до гомогенного і рівняння (2) можна використовувати для визначення константи часу преципітації .

Ефект прискорення преципітації надлишкового кисню в опромінених нейтронами зразках підтверджується результатами досліджень дефектів структури, що супроводжують преципітацію. На картинках вибіркового травлення спостерігається зростання концентрації дефектів на ранніх стадіях відпалу опромінених зразків кремнію.

При 600С відпалі неопромінених зразків дефекти не виявлені навіть після 126 годин нагріву. При 57-годинному відпалі в нейтронно-опромінених зразках виявились лише смуги напруження, пов'язані із шаруватим розподілом кисню в зразках кремнію вздовж напрямку [100]. Ця температура недостатня для утворення дефектів, що супроводжують преципітацію надлишкового кисню в кремнії. Стягування атомів кисню супроводжується лише сильним напруженням ґратки кремнію.

В термообробленому при 700С протягом 50 годин вихідному кремнію дефекти також не вияв-лялися. В опромінених нейтронами зразках після подібної термообробки (700С) дефекти виявлені: через 5 годин відпалу — (Ф .1018 н/см2), 10 годин — (Ф 1016 н/см2), та 15 годин — (Ф 1015 н/см2).

При термообробці 800С неопромінених зразків дефекти не виявлені до 30 годин відпалу. Після опромінення нейтронами дефекти виявляються через 5–17 годин відпалу, залежно від флюенсу опромінення (10181015н/см2). В опроміненому нейтронами зразку при найбільшому флюенсі спостерігалось зменшення концентрації дефектів при зростанні їх розмірів. Ефект, можливо, пов’язаний з явищем коалесценції: відпалом малих дефектів і збільшенням за їх рахунок інших дефектів.

В опроміненому швидкими нейтронами кремнії складні радіаційні дефекти типу областей розупорядкування відпалюються у дві стадії: при 400С та 700С. З метою виявлення впливу таких дефектів досліджена кінетика преципітації кисню при 1000С, коли швидкість преципітації кисню в кремнії максимальна, після попереднього відпалу опромінених зразків при 700С та 400С протягом півгодини.

В таблиці 2 наведені дані часу tп 50% преципітації кисню в зразках Si, що перед високотемпературною (1000С) обробкою попередньо відпалювалися при 700С або 400С протягом 0,5 години, в залежності від флюенсу опромінення.

Таблиця 2.

Час 50% преципітації кисню в годинах у кристалах кремнію, відпалених при 1000 С .

Попередня термообробка | Кремній неопромінений | Кремній опромінений

Ф=1016н/см2 | Ф=1019н/см2—

26 | 8,5 | 3

700С (0,5год.) | 12 | 9 | 2,5

400С (0,5год.) | 14,5 | 8,5 | 2,5

Приведені в таблиці 2 дані свідчать про те, що такий попередній відпал опромінених кристалів не впливає на час преципітації кисню. Вплив складних дефектів типу областей розупорядкування не виявляється. У випадку неопромінених зразків при цьому спостерігається зменшення величини tп. Ефект прискорення преципітації в таких зразках спричинений створенням при низькотемпературній обробці додаткових центрів зародків преципітатів.

Зменшення часу 50% преципітації кисню tп від 26 годин до 3–8,5 годин в опромінених зразках зумовлено зміною загальної концентрації наведених точкових радіаційних дефектів, тобто величиною флюенсу нейтронів. При порівнянні термооброблених опромінених і неопромінених зразків можна вважати, що вплив радіаційних дефектів на преципітацію кисню переважає вплив наведених термічних дефектів. Попередня термообробка при 400 та 700С не впливає на величину tп при 1000С-обробці опромінених зразків.

Вплив радіаційних дефектів проявляється в скороченні інкубаційного періоду процесу преципітації, тобто в збільшенні числа місць зародження. Як наслідок цього — зсув кінетичної кривої = f(t) для флюенсу 1015 н/см2 в бік меншого часу відпалу. Збереження двох нахилів у цій залежності свідчить про те, що кінетика процесу в цьому випадку не змінюється в порівнянні з неопроміненим зразком. Зменшення нахилу і його однакове значення, що спостерігається при опроміненні кремнію флюенсами 51016 н/см2 і 1018 н/см2, вказує на більший вплив радіаційних дефектів в порівнянні з термічними. При флюенсі опромінення 1016 н/см2 процес преципітації кисню в кремнії стає гомогенним і кінетика преципітації обумовлюється в основному радіаційними дефектами, наведеними попереднім опроміненням нейтронами.

У четвертому розділі приведені результати дослідження впливу попереднього опромінення на радіаційну стійкість кремнію.

Рис.2 Залежність пропускання від довжини хвилі П=() контрольного зразка в порівнянні зі зразком попередньо опроміненим швидкими нейтронами. Зразки після термооб-робки при 800оС опромінені =1016 н/cм2. (Товщини зразків d=0,434 cм)

Дослідження велось шляхом вимінювання інфрачервоного поглинання в кремнії, яке є ефективним методом дослідження радіа-ційних ефектів завдяки збільшенню прозорості кристалів в області довжин хвиль за краєм смуги основного поглинання, що обумовлюється зменшенням концентрації основних носіїв струму завдяки компенсуючої дії радіаційних дефектів.

Проведено дослідження спектрів білякрайового поглинання зонного кремнію в спектральній області 2–1,1 мкм на великому наборі зразків підданих різним комбінаціям попередніх радіа-ційних обробок. Результати цих досліджень демонструють наступні криві рис. 2, на яких для наочності приведені диференціальні спектри пропускання. На кривій 1 рис. 2 приведений дифе-ренціальний спектр пропускання контрольного зразка Si без попередньої радіаційної обробки у порівнянні зі зразком, попередньо опроміненим швидкими нейтронами. Обидва зразки відпалені, потім опромінені =1016 н/cм2.

Оскільки зразки були відрізані від одного зливка і їх поверхні були оброблені однаковим способом та мали однакову товщину, а попередній 800оС відпал, як відомо, приводить до повного відпалу дефектів, які фіксуються по інфрачервоному поглинанню, то розходження в інтенсивності їхнього пропускання варто віднести тільки за рахунок попередньої радіаційної обробки зразка швидкими нейтронами. Як видно з малюнка інтенсивність поглинання в контрольному зразку більше, ніж в опроміненому.

На кривій 2 рис. 2, де приведений диференціальний спектр пропускання двох зразків, опромінених швидкими нейтронами =1016 н/cм2, які пройшли різну попередню радіаційну обробку. Видно, що інтенсивність поглинання в цих зразках не залежить від способу попередньої радіаційної обробки, використовуваної у даному експерименті (опромінення швидкими й тепловими нейтронами та - квантами і тепловими нейтронами).

Таким чином, приведені дослідження наочно демонструють, що попередня радіаційна обробка зразків швидкими або тепловими нейтронами приводить до підвищення радіаційної стійкості кремнію відносно утворення складних порушень типу областей розупорядкування.

Нейтронне легування кремнію, по суті, є одним із варіантів методу підвищення радіаційної стійкості кремнію за допомогою попереднього опромінення.

Після опромінення зразків різними дозами теплових нейтронів і відпалу при 850°С були отримані зразки p-Si з питомим опором (12–40) кОмсм і n-Si з концентрацією носіїв n=1,41012 см-3.

Проведені дослідження радіаційної стійкості нейтронно легованого кремнію (НЛК) n- і р- типу при опроміненні - квантами 60Со і швидкими нейтронами реактора з ефективною енергією (Еn~1 МеВ). Показали, що у нейтронно-легованому n-Si швидкість видалення носіїв при - опроміненні більш ніж на порядок менше, ніж у контрольному зразку, а при нейтронному опроміненні швидкість видалення менше приблизно в 2 рази. У високоомному нейтронно легованому кремнії р-типу провідності (~10-40 кОмсм ) не виявлено помітної відмін-ності радіаційної стійкості від контрольних зразків p-Si. Це, очевидно, пов'язано з малою дозою опромінення, потрібної для отримання високоомного p-Si, і як наслідок, малою концентрацією введених опроміненням стоків.

При нейтронному легуванні відбувається опромінення кристалів тепловими нейтронами, швидкими нейтронами й гама квантами. Після трансмутаційного легування кремнію і наступного відпалу при 850°С дефекти вакансійного типу об’єднуються й утворюють електрично неактивні вакансійні комплекси, а дефекти міжвузлового типу при відпалі перетворюються в комплекси міжвузлового типу ( мікродефекти типу A, B, D).

Через деформацію кристалічної ґратки навколо таких скупчень виникають поля пружних напружень стиску. Під впливом цих полів до скупчень мігрують генеровані випромінюванням вакансії і міжвузлові атоми, де вони можуть анігілювати чи утворювати комплекси один з одним (наприклад, дівакансії). Тому концентрація первинних вакансій, здатних брати участь в утворенні комплексів з домішковими атомами в об’ємі кристалу, значно менша, ніж у звичайному зонному матеріалі. А це приводить до меншої ефективності утворення Е-центрів у нейтронно легованому кремнії.

Домішково-дефектні скупчення можуть складатися з комплексів (Ci-Cs). Крім них у скупчення входять власні міжвузілля, міжвузловий вуглець Ci або їхні асоціації, які в умовах експерименту електрично нейтральні. Середній радіус області по оцінках складає 1,310-4 см.

Природно, що радіаційна стійкість нейтронно легованого кремнію буде також залежати як від концентрації стоків, так і введеного трансмутацією фосфору. Для найкращого ефекту необхідно в кожному конкретному випадку мати оптимальне їхнє співвідношення. Таким чином, отриманий нами нейтронно легований кремній n- типу для виготовлення детекторів ядерних випромінювань має підвищену радіаційну стійкість до дії - ви-промінювання 60Co і швидких нейтронів. Це обумовлено дією стоків різної природи, що утворились при нейтронному легуванні і наступних термообробках кремнію.

Дослідження залежності концентрації носіїв заряду в кисневому Si від дози опромінення 24 ГеВ протонами показало, що в кисневому кремнії швидкість введення носіїв менша, ніж у стандартному кремнії. Це пов’язано з тим, що міжвузельний кисень “придушує” утворення Е-цен-трів. Але кисень не тільки відволікає потік вакансій від атомів фосфору, а також зменшує потік вакансій та дівакансій до кластерів дефектів, що приводить до зменшення розмірів великих клас-терів дефектів. Таким чином, домішка кисню дозволяє підвищити радіаційну стійкість кремнію.

Попереднє опромінення дає можливість підвищити радіаційну стійкість не тільки кремнію, а й других матеріалів. Це можна продемонструвати на прикладі антимоніду індію, використовува-ного в якості модельного матеріалу.

Зразки InSb опромінювались 47 МеВ протонами з інтенсивністю (1–6)1012 р/см2сек на ізо-хронному циклотроні У-240 НЦ ІЯД НАН України до дози 1016 р/см2 при температурі 100–120К, а потім відпалювались при підвищеній температурі.

Повторне опромінення цих зразків 47 МеВ протонами показало, що швидкість введення радіаційних дефектів у таких зразках різко зменшилась. Зменшення швидкості введення радіацій-них дефектів пов’язане з уведенням стоків для первинних дефектів.

Аналізуючи отримані результати, можна зробити висновок, що комбінація попереднього опромінення з термовідпалом дозволить отримати матеріал із підвищеною радіаційною стійкістю і на базі його створити радіаційно стійкі детектори ядерних випромінювань та інші прилади твердотільної електроніки. Різниця в дії і нейтронного на нейтронно легований кремній пов’язана з тим що при -опроміненні утворюються прості точкові дефекти, які частково захоплюються стоками, а при нейтронному опроміненні крім точкових, утворюються значна кількість складних дефектів, на які стоки не впливають.

В п’ятому розділі приводяться результати досліджень характеристик детекторів ядерних випромінювань, які розроблені на основі кремнію з використанням результатів, приведених у попередніх розділах.

Дозиметрія швидких нейтронів базується на зміні характеристик p-i-n діодів за рахунок радіаційних дефектів, індукованих опроміненням.

Для підвищення чутливості дозиметрів швидких нейтронів потрібно використовувати крем-ній з малою радіаційною стійкістю, тому для розробки високочутливих p-i-n діодів використо-вували малокисневий високоомний кремній з великим часом життя носіїв заряду.

Експериментальні зразки діодів із довгою базою були виготовлені на основі промислового
n-Si із питомим опором 103 Омсм. P-i-n діоди з товщиною бази1,2; 2,2; 3,2 мм мали чутливість до швидких нейтронів реактора 0,1; 0,5; 0,9 В/Гр, відповідно.

Діоди, виготовлені зі спеціально відібраного кремнію з високим питомим опором і малою концентрацією кисню, мають чутливість 5 В/Гр, що перевищує характеристики відомих аналогів.

Для вимірів потоків теплових і епітермальних нейтронів використовуються кремнієві детектори з конверторами. Як правило, ці виміри проводяться на атомному реакторі, де крім теплових нейтронів є високий радіаційний фон швидких нейтронів і гамма-випромінювання. Тому до таких детекторів пред’являються високі вимоги по радіаційній стійкості й збереженню протягом тривалого часу їх, параметрів.

Як було показано у попередніх розділах, нейтронно легований кремній має більш високу радіацій-ну стійкість по відношенню до металургійного кремнію з аналогічними параметрами. Тому для підвищення радіаційного ресурсу всієї системи детектори були виготовлені на базі нейтронно легованого n-типу з питомим опором ~ 1,5кОмсм і ~250 мкс.

Використовувався 235U оксид-протоксид конвертор із збагаченням 99,92 %, товщиною
1,510-4 м, масою 110-6 кг і - активністю 81 Бк, виготовлений на Al підкладці, який монтувався перед кремнієвим поверхнево - бар'єрним детектором площею 1 см2.

Уламки ядер 235U після процесу поділу, викликаного захопленням нейтрона, мають енергію 70 МеВ, яка набагато більша ніж у - частинки та - кванти, реєструються кремнієвим детектором. Тому сигнал від уламків поділу може бути легко відділений від інших сигналів, обумовлених - променями і -частками. Ці переваги Si-235U сенсорів корисні для їхнього використання в змішаних гамма-нейтронних полях. Інша перевага 235U конвертора пов'язана з наявністю його власного спонтанного - розпаду з Е 5 МеВ, що дає можливість виконувати постійне самотестування чутливості детектора. Стабільність потоку - частинок у часі дає можливість враховувати зміни чутливості детектора при опроміненні. Оскільки існує велика відмінність між енергією - частинок (Е 5 МеВ) і уламків поділу (Еf 70 МеВ), можна вимірю-вати кожну з цих компонент у той самий час і по їхньому відношенню визначати достовірне значення нейтронного потоку. Такий метод дозволяє виключити вплив деградації детектора при опроміненні, оскільки внесок радіаційних ушкоджень у кожну з компонент однаковий.

Розроблені детектори з 235U конвертором дають лінійну залежність величини сигналу від інтенсивності потоків термальних і епітермальних нейтронів. Ефективність детекторів до теплових нейтронів складає k = 5,510-4 імп/н, а епітермальних нейтронів k = 1,8210-5 імп/н.

Для спектроскопії заряджених ядерних частинок потрібні детектори з великою товщиною чутливої області. Виготовити такі детектори можна на основі Si із майже власним питомим опором за рахунок компенсації акцепторних домішок іонами літію. Але присутність кисню та кластерів дефектів вакансійного типу заважає цьому і значно зменшує рухливість іонів Li. Оскільки кисень та інші ростові дефекти неоднорідно розміщені в об’ємі кристалу, то вплив їх буде вирішальним в одержанні якісного матеріалу й детекторів на його основі. Тому використання результатів, викладених у попередньому розділі, по вивченню впливу кисню та дефектів, на властивості кремнію дозволяє частково вирішити це завдання.

При виготовленні кремній-літієвих детекторів було проведено дослідження та вибір безкисневого р-кремнію з великою рухливістю іонів літію, проведено дослідження впливу параметрів вихідного кремнію на рухливість іонів літію, впливу основних характеристик процесу дрейфу на електрофізичні параметри кремній-літієвих структур із великою товщиною чутливої області та розроблена технологія виготовлення детекторів і проведені виміри їхніх електро-фізичних та спектрометричних характеристик.

Після кількісної оцінки концентрації кисню в різних зразках Si визначено, що рухливість літію в кремнії з концентрацією бору 1013 см-3 та концентрацією кисню 51015 см-3 приблизно в п’ять разів перевищує рухливість у кремнії з тією ж концентрацією бору, але в п’ять разів більшою концентрацією кисню (2,51016 см-3).

При вивченні структури виявлені D- дефекти мають вакансійну природу і в них може бути багато вакансійно-кисневих комплексів n(V,O). Їх розмір 40–60Е і концентрація 108–1012 см-3.

Оскільки вакансії мають від’ємний заряд, а іони літію позитивно заряджені, то D_дефекти являються активними центрами захвату літію і, таким чином, зменшувати рухливість іонів літію, а значить, суттєво зменшують розміри компенсованого об’єму. Таким чином, D-дефекти ведуть себе аналогічно атомам кисню, як центри захвату літію.

При визначенні розподілу мікродефектів ми виявили, що D-дефекти в основному розміщені по центру зливка, тому в цих місцях можливе зменшення товщини чутливої області. Тому, необхідно контролювати вихідний матеріал не лише за розподілом кисню, а й за розподілом мікродефектів.

Для отримання великої товщини чутливої області Si(Li) детекторів використовувався метод дрейфу іонів літію в електричному полі p-n переходу зі зворотною напругою.

Досліджений вплив термічно генерованих носіїв на вольт-ємнісні залежності Si(Li) структур. Показано, що при підвищенні температури дрейфу (що приводить до більш швидкого зростання товщини компенсованої області) більше ніж 120 oC, отримаємо і-область з підвищеною провід-ністю. Якщо вести процес дрейфу при більш високій напрузі і менших температурах, коли спотворення поля термічно –– генерованими електронами й дірками незначне, можна значно покращити рівень компенсації чутливої області. Визначені оптимальні режими дрейфу та наступного вирівнюючого дрейфу (clean up) для одержання значної товщини компенсованої області.

Результати вимірювань вольт-амперних і вольт-ємнісних залежностей показали, що детектори можуть працювати при високій зворотній напрузі (більше 300 В) при рівні зворотних струмів менше 5 мкА, при цьому питома ємність складає (23 пФ/см2), що відповідає розміру товщини чутливої області 34 мм, достатньої для реєстрації - частинок з енергією до 3 МеВ.

Спектрометричні властивості детекторів вимірювались при опроміненні стандартними - - і - джерелами випромінювань. Одержана енергетична роздільна здатність ~1% на -джерелі.

Основні результати Й висновки

В роботі проведені експериментальні дослідження процесів преци-пітації кисню в інтервалі температур 600–1000оС і показаний вплив радіа-ційних дефектів на кінетику формування центрів зародків преципітатів і кінетику випадання кисню з пересиченого твердого розчину кисню в кремнії. Запропоновано фізичні моделі радіаційних процесів, що відбуваються у попередньо опроміненому кремнії і його вплив на радіаційну стійкість напівпровідникових матеріалів.

Проведені дослідження показали, що дозованим уведенням радіаційних дефектів можна прискорювати процеси преципітації кисню в кремнії при термообробці. Відпал дефектів, які утворені нейтронним опроміненням, не приводить до відновлення первісної структури; залишкові дефекти, будучи електрично – неактивними як і преципітати кисню, виступають при повторному опроміненні стоками радіаційних дефектів, що значно підвищує радіаційну стійкість кремнію й детекторів на його основі. В той же час надчистий кремній n- типу з найменшою концентрацією стоків надзвичайно чутливий до дії радіації, дає можливість розробити аварійні дозиметри для нейтронів. Переважна більшість приведених у дисертації результатів є оригінальними і новими.

Аналіз результатів, отриманих у роботі, дає можливість зробити такі основні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Детектори з конвертором 235U виготовлені на основі радіаційно-стійкого нейтронно-легова-ного кремнію мають підвищену радіаційну стійкість і зберігають свої робочі характеристики в змішаних гамма-нейтронних полях у декілька разів довше ніж стандартні детектори.

Таким чином показано, що попереднє опромінення і відпал придатні для підви-щення радіаційної стійкості багатьох напівпровідників, і може бути одним із методів у радіаційно-тер-мічній технології підвищення радіаційної стійкості напівпровідникових матеріалів. Кремній, на основі якого розробляються прецизійні детектори та інші напівпровідникові прилади, які працюють у полях ядерних випромінювань, є найбільш перспективним матеріалом для використання цього методу.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.