WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 7 УДК 621.315.592 Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и -частицами Обзор © В.А. Козлов, В.В. Козловский¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 8 ноября 2000 г. Принята к печати 19 декабря 2000 г.) Выполнен анализ одного из современных направлений модифицирования полупроводников пучками протонов и -частиц, осуществляемого путем контролируемого введения в полупроводник радиационных дефектов.

Показано, что легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении легкими ионами открывает новые возможности управления свойствами полупроводниковых материалов и создания приборов опто-, микро- и наноэлектроники на их основе по сравнению с традиционными методами легирования — диффузионным, эпитаксиальным, ионно-имплантационным.

1. Введение дефектообразование сопровождается появлением в запрещенной зоне полупроводника локальных энергетиМодифицирование полупроводниковых материалов, ческих уровней. Дефекты либо служат поставщиками т. е. направленное изменение их свойств, пучками легких или ловушками электронов (донорами или акцептораионов, в частности протонов, является одним из наибоми), либо являются центрами излучательной (безызлулее перспективных и бурно развивающихся в последние чательной) рекомбинации неравновесных носителей загоды физико-технологических методов. Интерес к проряда. Контролируемое введение радиационных дефектов тонам обусловлен широким и контролируемым диапазов сочетании с термическими обработками позволяет в ном обрабатываемых глубин материала (от 0.1 мкм до широких пределах изменять электрофизические характе1мм) и отсутствием после протонного облучения сложристики полупроводника, такие как электропроводность, ных радиационных комплексов с высокой температурой тип проводимости, концентрация, подвижность и время отжига. Основными тремя факторами, влияющими на жизни носителей заряда.

изменение свойств полупроводников после протонного Разработка и широкое использование радиационных облучения, являются: образование новых примесей в технологий в электронной технике [1–4] свидетельствурезультате ядерных реакций, радиационное дефектообрают о высокой эффективности ”нетрадиционных” на перзование и накопление атомов водорода. Радиационное вый взгляд методов и являются результатом глубоких модифицирование, осуществляемое путем контролируисследований физико-химических процессов, лежащих в емого введения в полупроводник дефектов (состава основе радиационных методов легирования.

и структуры), называется радиационным легированием.

К настоящему времени в литературе наиболее деКлассификация современных направлений радиационнотально представлено использование трансмутационного модифицирования полупроводников пучками легких го образования примесей в полупроводниках под дейионов представлена в табл. 1. Такая классификация ствием облучения легкими ионами [11], протоннонаправлений радиационного модифицирования явно или стимулированных процессов и введения атомов водоронеявно прослеживается в большинстве книг, обзоров и да [12] для модифицирования свойств полупроводников.

сборников, опубликованных за последние два десятилеАналитических обзоров по легированию полупроводнития и посвященных радиационной физике полупроводников радиационными дефектами, созданными облучением ков, радиационным дефектам, эффектам и процессам в легкими ионами, не существует. Настоящий обзор и полупроводниках [1–13].

призван устранить этот пробел.

В отличие от примесного атома (примесного дефекта), Обзор состоит из двух частей, посвященных основным являющегося, как правило, дефектом состава полупроматериалам современной полупроводниковой электрониводника, радиационный дефект (вакансия, межузельный ки — кремнию и соединениям AIIIBV (арсениду галлия и атом, дивакансия и т. д.), как правило, является дефекфосфиду индия). В каждой части обзора сначала рассматом структуры полупроводникового материала. Однако триваются вопросы радиационного дефектообразования, характер влияния и дефектов состава, и дефектов струка затем его применения в электронике. При анализе туры на свойства полупроводника аналогичен. Обычно радиационного дефектообразования в полупроводниках ¶ E-mail: kozlovski@tuexph.stu.neva.ru под действием облучения легкими ионами и его срав1 770 В.А. Козлов, В.В. Козловский Таблица 1.

Примечание. 1 — формирование квантово-размерных ”наноблистеров” и ”нанопор” как центров люминесценции в видимой области спектра для оптоэлектронных излучателей на основе Si;

2 — формирование волноводов для электромагнитных волн, включая твердотельные радиочастотные компланарные передающие микролинии и оптические волноводы;

3 — формирование квантово-размерных структур для криогенной электроники (quantum dots and single electron transistors);

4 — формирование многослойных полупроводниковых структур с гетеропереходами (включая OETC’s, HBT’s & Heterojunctions CMOS) и трехмерных СБИС.

нении с другими видами облучений в качестве примера торможение) и на ядрах атомов матрицы (ядерное тордля сравнения было выбрано облучение электронами можение). Электронное торможение приводит к воз(с энергией 1МэВ) как наиболее часто используемый буждению и ионизации электронных оболочек атомов на сегодняшний день вид радиационной обработки по- матрицы, а взаимодействие с ядрами атомов матрицы, лупроводниковых кристаллов и приборов. Ввиду ограни- характеризующееся передачей им значительной энергии, ченности объема журнального варианта обзора, мы, как приводит к образованию дефектов решетки (в простейи в предыдущих обзорах [11,12], будем уделять основное шем случае пар Френкеля). Из анализа кривых энергетивнимание работам, которые имели задачей не только ческих потерь по теории Линхарда–Шарфа–Шиота [14] фундаментальные исследования, но и практическую на- известно, что процесс дефектообразования превалирует правленность. при значениях приведенной энергии <2, где -1 - =(a/e2)E0M2Z1 Z2 (M1 + M2)-1, (1) 2. Взаимодействие легких ионов с монокристаллическими 2/3 2/a = 0.8853rB(Z1 + Z2 )-1/2.

полупроводниками Здесь M1, M2, Z1, Z2 — масса и заряд налетающего иона Как известно, замедление бомбардирующей частицы и иона матрицы соответственно, E0 — энергия налетав твердом теле происходит за счет ее рассеяния на ющего иона, rB — первый боровский радиус, e —заряд электронной подсистеме атомов матрицы (электронное электрона. Из формулы (1) видно, что величина энергии, Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и -частицами при которой превалируют ядерные потери, запишется в будет составлять 1.5 · 105 см-3/протон. При обычно исвиде [15] пользуемых на практике интенсивностях пучка протонов 6·109-6·1012 см-2·с-1 средний темп генерации дефектов 1/2/3 2/составит 1015-1018 см-3 · с-1 [17,18]. В табл. 2 приEC = 2ERZ1Z2 Z1 + Z2 (1 + M1/M2), (2) ведены данные по пробегам одноатомных, двухатомных и трехатомных однозарядных ионов водорода с энергигде ER — энергия налетающей частицы, которая равна ей 300 кэВ в соединениях AIIIBV. Понятие ”средний” кулоновскому потенциалу двух нуклонов, разделенных темп генерации радиационных дефектов в облученном суммой радиусов их экранированных облаков, и для слое полупроводника весьма условно в применении к нашей системы составляет 13.6 эВ. Подставляя в (1) ионному облучению, поскольку, как уже указывалось значения массы и заряда, например, иона водорода и выше, распределение тормозных потерь иона по глубине эффективных значений массы и заряда для GaAs, полукристалла весьма неравномерно и имеет максимум в чим EC 3кэВ (эффективная масса арсенида галлия конце пробега иона.

MGaAs 73, а эффективный заряд ZGaAs 32); в случае взаимодействия протона с ионом кремния Si — EC 1 кэВ. Таким образом, из полной энергии ио3. Легирование арсенида галлия нов, например в сотни кэВ, лишь несколько процентов и других полупроводниковых идет на образование радиационных дефектов. Остальная соединений AIIIBV радиационными часть расходуется на возбуждение и ионизацию атомов дефектами матрицы — As и Ga в первом случае или Si во втором. Поскольку основная генерация радиационных деЗа последние двадцать лет радиационные дефекты в фектов происходит после замедления протона до энергии соединениях AIIIBV, особенно в GaAs, исследовались 1–3 кэВ, имеет место резко неравномерная генерация радостаточно интенсивно, хотя существенным препятствидиационных дефектов по треку частицы, и в формуле для ем для детального изучения является их более высокая полного количества смещенных из узлов решетки атомов загрязненность примесями по сравнению с германием полупроводника (Nt) будут два члена, один из которых и кремнием [1]. К настоящему времени в литературе определяется электронным торможением, а второй — имеется несколько обзоров по этому вопросу [19–22].

ядерным [16]:

Все они в основном посвящены фундаментальным вопросам образования радиационных дефектов в соединеNt =[p(E0 - EC) +bEC]/Ed. (3) ниях AIIIBV, под действием нейтронного, электронного и -облучения. Нас же интересуют прежде всего работы, Здесь p — вероятностный множитель (равный 10-3), посвященные направленному изменению свойств, в том Ed — энергия смещения атома мишени ( 15 эВ в числе легированию соединений AIIIBV радиационными GaAs [16]); b = 1/2, если Eb > EC, и b = 1/4, если дефектами. Работы по легированию соединений AIIIBV Eb < EC, где радиационными дефектами под действием легких заряженных частиц и составляют основу данного параграфа.

Eb = EC/(4Ed), = 4M1M2/(M1 + M2)2. (4) Как известно, первичные радиационные дефекты — Из формул (3) и (4), например, для случая GaAs при это прежде всего собственные точечные дефекты решетэнергии протонов 300 кэВ будем иметь: E0 = 300 кэВ, ки [23]. В соединениях AIIIBV число простейших разных EC = 3кэВ, = 0.05, Eb = 8кэВ и Nt = 50. Таким собственных точечных дефектов равно 8: 2 вакансии образом, каждый протон с энергией 300 кэВ создает в (вакансии атома A и атома B), по крайней мере 4 дефекта арсениде галлия 50 смещений [16]. Учитывая, что внедрения (в соединениях AIIIBV есть два междоузлия, пробег протонов в этом случае составляет 3 мкм, сред- которые могут быть заняты атомом A или атомом B) няя концентрация смещенных атомов в облученном слое и 2 антиструктурных (антиузельных) дефекта (когда атом A находится в узле подрешетки атомов B и наоборот). Кроме того, возможно образование комплексов Таблица 2. Проецированный пробег ионов водорода с энерсобственных дефектов друг с другом или с примесными гией 300 кэВ в соединениях AIIIBV атомами.

Материал H+ H+ H+ 1 2 3.1. Радиационное дефектообразование GaAs 2.58 1.20 0.в арсениде галлия GaP 2.5 1.12 0.InP 2.25 1.10 0.Несмотря на многочисленные исследования, вопрос о InAs 2.1 1.00 0.природе основных типов радиационных дефектов даже InSb 1.8 0.90 0.в наиболее изученном из соединений AIIIBV материаGaP0.4As0.6 2.34 1.05 0.ле — арсениде галлия остается дискуссионным, надежПримечание. Значения проецированного пробега приведены в мкм.

ной идентификации вводимых радиационных нарушений 1 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 772 В.А. Козлов, В.В. Козловский Таблица 3. Энергетические уровни и скорости их введения в (жидкофазная и газофазная эпитаксия, метод Чохральn-GaAs, облученном электронами с энергией 1 МэВ [19] ского), ни от природы и концентрации основной легирующей примеси. Анализ имеющихся результатов показыЭнергии уровней, эВ вает, что в случае электронного облучения (при энергии Ловушки Ловушки электронов E0 = 1 МэВ и температуре Tirr = 300 K) Метод измерения для электронов для дырок суммарная скорость введения ловушек E1-E5 близка по величине к расчетному значению скорости образования E1 E2 E3 E4 E5 H0 Hпервичных смещений ( 5см-1), для значения порогоDLTS 0.08 0.19 0.45 0.76 0.96 0.09 0.вой энергии смещения Ed 15 эВ [20]. Этот факт Коэффициент Холла 0.12 0.20 0.38 0.скорее всего свидетельствует о том, что в GaAs процессы (с поправкой) 0.13 0.20 0.31 0.Порог 0.38 0.52 0.фотопроводимости Скорость введения, см-1 1.8 2.8 0.7 0.08 0.Примечание. Энергии ловушек для электронов (дырок) измеряются относительно зоны проводимости (валентной зоны).

до сих пор нет. По этой причине при анализе природы радиационных дефектов приходится полагаться в основном на результаты ”косвенных” методов (оптическое поглощение, люминесценция, нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней — DLTS, эффект Холла ит. д.).

Исследование методом электронного парамагнитного Рис. 1. DLTS-спектр n-GaAs, облученного электронами с энеррезонанса (ЭПР), представляющего собой один из мегией 1 МэВ при комнатной температуре [14], и энергетический тодов прямой идентификации радиационных дефектов, в спектр ловушек. Ловушки для дырок A и B присутствуют в GaAs не дает желаемых результатов из-за существенного исходном n-GaAs. Отметим ”сжатый” масштаб (0.25) для перекрытия линий сверхтонкого взаимодействия.

E1 и E2 и ”растянутый” масштаб (2.5) для E4 и E5.

В качестве примера приведем работу [19], в которой методом DLTS детально исследованы радиационные дефекты в GaAs. Спектр DLTS для n-GaAs, облученного при комнатной температуре электронами с энергией 1 МэВ, представлен на рис. 1. Как видно из рис. 1, в спектре наблюдается 5 ловушек для электронов (E1-E5) и ловушка для дырок H1; при этом их концентрации растут линейно с ростом дозы облучения (в интервале от 5·1013 до 5·1015 см-2), а наибольшей скоростью введения характеризуются ловушки E1 и E2.

В табл. 3 указаны скорости введения дефектов, равные отношению концентрации созданных в кристалле дефектов к дозе облучения, и положения глубоких уровней, возникающих в арсениде галлия при облучении электронами с энергией 1 МэВ при комнатной температуре (энергетическое положение ловушек для электронов (дырок) измеряется относительно зоны проводимости (валентной зоны)) [19]. Положения энергетических уровней определялись по энергии активации термоэмиссии из данных DLTS, энергии активации температурной зависимости концентрации носителей заряда и по порогу фотопроводимости. Все скорости введения глубоких уровней в табл. 3 приведены для плотности тока частиц J = 0.1мкА· см-2.

Рис. 2. DLTS-спектры образцов n-GaAs, облученных при В проведенных экспериментах не обнаружено завикомнатной температуре электронами с энергией 1 МэВ (1), симости скоростей введения основных электронных ло- протонами с энергией 400 кэВ (2), -частицами с энергией вушек (E1-E5) ни от метода выращивания материала 1.8 МэВ (3) и ионами кислорода с энергией 185 кэВ (4) [14].

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.