Термостабильные радиационные центры в полупроводниках

Согласно современным представлениям, тармостабильными в рабочем диапазоне температур ПП и ИС радиационными центрами, вносящими в запрещенную зону полупроводника разрешенные уровни энергии, являются не точечные первичные нарушения, а их ассоциации между собой и атомами остаточных и легирующих примесей [3, 10].

Типичными для кремния являются комплексы типа V–O (А-центры, Е_с – 0,17 эВ), V–P (Е-центры, Е_с – 0,4 эВ), V–V (j-центры: Е_с – 0,4 эВ — соответствует двукратно отрицательно заряженной дивакансии; Е_с – 0,54 эВ — соответствует однократно отрицательно заряженному состоянию дивакансии; Е_v + 0,28 эВ — соответствует положительно заряженной дивакансии). Их относительная концентрация, вносимая в кристаллы полупроводника при облучении, зависит как от исходных свойств полупроводника, так и от условий облучения. Кроме этих основных радиационных центров могут образовываться также и более сложные комплексы. Например, могут образоваться донорные центры дивакинсия-кислород (Е_v + 0,35 эВ в р-Si, Е_с – 0,21 эВ в n -Si). Атомы акцепторной примеси (бора) создают с вакансиями в зонном кремнии р -типа преобладающие донорные радиационные центры с уровнем Е_v + 0,21 эВ (дивакансия-бор), и акцепторные радиационные центры с уровнем Е_v + 0,45 эВ (вакансия-бор, аналог Е-центра в n -кремнии), однако природа этих центров окончательно не установлена [3, 10]. Атомы кислорода в кремнии при облучении принимают также активное участие в образовании сложных центров прилипания для неосновных носителей (Е_v + 0,31 эВ, Е_v + 0,39 эВ, Е_v + 0,48 эВ в кислородном n -Si; Е_с – 0,30 эВ, Е_с – 0,37 эВ, Е_с – 0,47 эВ в кислородном р -Si), а также центров интенсивной излучательной рекомбинации.

Также кроме основных легирующих примесей и кислорода на образование радиационных центров в кремнии оказывают влияние атомы других остаточных и легирующих примесей (литий, медь, золото, железо, никель, углерод, водород и др.), концентрация электрически активной компоненты которых увеличивается при облучении. Эти примеси становятся электрически активными, когда становятся примесями замещения при взаимодействии с вводимыми облучением вакансиями.

В целом ряде работ показано, что при облучении кристаллов кремния n - и р -типа проводимости суммарный эффект от образования «глубоких» радиационных центров акцепторного и донорного характера приводит по мере увеличения потока облучения к смещению уровня Ферми к середине запрещенной зоны (исключение могут составлять особо чистые образцы кремния). Данная закономерность — компенсация проводимости при облучении вплоть до собственной — экспериментально наблюдается во всех широкозонных полупроводниках, независимо от исходного состояния [2, 3, 10, 11].

В кристаллах германия при облучении образуется преимущественно ряд устойчивых акцепторных центров: Е_v + 0,18 эВ, Е_v + 0,07 эВ, Е_v + 0,01 эВ (данные три уровня соответствуют дивакансиям в различных зарядовых состояниях), Е_с – 0,20 эВ (для кристаллов германия, легированных сурьмой — ассоциации V–Sb, аналог Е-центра в кремнии). Это приводит к смещению уровня Ферми в «бескислородных» кристаллах германия n - и р -типа по мере роста потока облучения к предельному положению E_v + 0,24 эВ. При этом в «бескислородных» образцах n -германия происходит конверсия типа проводимости.

Ассоциации вакансий с атомами сурьмы в германии также дают акцепторные уровни E_v + 0,24 эВ. В [3] указывается, что акцепторные уровни, определяемые ассоциациями V–Sb, имеют большое сечение рекомбинации неосновных носителей и ответственны за конверсию n -типа германия в р -тип. Ассоциации вакансий с атомами других легирующих примесей в германии дают в запрещенной зоне следующие акцепторные уровни: Е_с – 0,25 эВ (V–As); Е_с – 0,1 эВ (V–Sn).

В «кислородных» кристаллах германия преимущественно образуются уровни
Е_с – (0,90 ± 0,02) эВ (ассоциация вакансии с атомом кислорода). Данные уровни интенсивно захватывают образованные облучением вакансии, что затрудняет образование акцепторных центров с участием донорной примеси и, тем самым, приводит к сдвигу конверсии n -типа германия в р -тип в область более высоких потоков облучения.

Облучение кристаллов германия n - и р -типа приводит также к «проявлению» ряда остаточных примесей — меди, никеля, золота, и как следствие — появлению соответствующих этим примесям уровней E_v + 0,32 эВ, E_v + 0,44 эВ и E_v + 0,54 эВ [3].

Дефектообразование в соединениях вида A^IIIB^V имеет ряд особенностей, связанных со структурой кристаллической решетки, характером связи атомов, наличием двух пороговых энергий смещения и уровнем технологии получения монокристаллов [3, 11].

При облучении GaAs вводятся глубокие и мелкие энергетические уровни радиационных дефектов. При этом вводятся уровни как акцепторного, так и донорного характера, и уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны. Характерно, что сечения образования эффективных доноров в p -GaAs и эффективных акцепторов в n -GaAs приблизительно
одинаковы [11]. В облученном GaAs обнаружено большое количество энергетических уровней, однако природа их остается во многом неясной. Можно отметить некоторые из этих уровней [11]: Е_с – (0,09–0,12) эВ; Е_с – 0,16 эВ; Е_с – 0,38 эВ; Е_с – 0,57 эВ; Е_с – 0,71 эВ; E_v + 0,20 эВ; E_v + 0,16 эВ; E_v + 0,03 эВ. Концентрация дефектов, ответственных за уровень Е_с – (0,09–0,12) эВ, при облучении увеличивается. Уровень Е_с – 0,16 эВ, по-видимому, имеет радиационное происхождение, но не связан с легирующей примесью (теллуром). Уровень Е_с – 0,38 эВ обнаружен только в облученном материале n -типа, поэтому можно предполагать, что он принадлежит комплексу с донором V группы. Концентрация дефектов, ответственных за уровни Е_с – 0,57 эВ и Е_с – 0,71 эВ, при облучении увеличивается. Акцепторный уровень E_v + 0,20 эВ обнаружен лишь в облученных кристаллах при измерении температурной зависимости примесной фотопроводимости. Уровень E_v + 0,16 эВ связывается с вакансиями мышьяка, а уровень E_v + 0,03 эВ, возможно, принадлежит комплексу с цинком [11].

Большинство исходных кристаллов GaAs содержит высокие концентрации остаточных технологических примесей (меди, кислорода, цинка, кремния и др.) и собственных дефектов структуры [3]. При облучении происходит радиационная активация меди с появлением акцепторного уровня E_v + 0,15 эВ, кислорода (E_c – 0,65 эВ) и образование ряда устойчивых комплексов, создающих глубокие компенсирующие уровни.

При облучении GaP также образуются радиационные дефекты, дающие глубокие и мелкие уровни. Однако вследствие низкого совершенства монокристаллов GaP и особенностей его кристаллической структуры спектр дефектов, их природа и влияние на физические свойства изучены недостаточно. Следует отметить, что в GaP, как и в GaAs, при облучении образуются как простые, так и сложные дефекты, представляющие собой комплексы
простых дефектов с остаточными или легирующими примесями, а также области разупорядочения.

Высокотемпературный отжиг радиационных центров в полупроводниках носит диффузионный характер и происходит в несколько стадий с увеличением энергии активации каждой последующей стадии [3]. При этом полный отжиг происходит при температурах
250–400 °С для германия и 450–600 °С для кремния. Отжиг радиационных дефектов в арсениде галлия протекает при 210–240 и 390–600 °С [11]: на первой стадии отжигаются дефекты, представляющие собой комплексы примесь – междоузельный мышьяк, вторая стадия характерна для кристаллов, подверженных облучению высокоэнергетическими частицами,
поэтому можно думать, что выше 490 °С отжигаются скопления дефектов. Температурный отжиг радиационных нарушений в GaP протекает при 150, 230–250 и 490–590 °С [11].
На низкотемпературных стадиях отжигаются изолированные дефекты, а при высоких температурах, очевидно, области разупорядочения.

В целом можно заключить, что температура отжига радиационных центров в полупроводниковых материалах значительно превосходит рабочие температуры для ПП и ИС. Следовательно, изменения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, а также ПП и ИС на их основе, связанные с вводимыми при радиационном облучении структурными повреждениями, будут устойчивыми в рабочем диапазоне температур для ПП и ИС.

Подробно свойства радиационных центров в полупроводниковых материалах, а также механизмы их образования и отжига, рассмотрены в [2, 3, 10], и для более детального изучения этих вопросов студентам следует руководствоваться этими изданиями.