РАСПАД ПРИМЕСНЫХ СКОПЛЕНИЙ Co В Si ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Изучение влияния радиационного облучения на свойства компенсированного полупроводникового кремния обычно преследует следующие цели: определение радиационной стойкости параметров исследуемых материалов, а также механизмов взаимодействия и миграции примесных атомов со структурными и радиационными дефектами кристаллической решетки. Несмотря на многочисленные исследования, посвящённых определению механизмов взаимодействия радиационных дефектов с атомами легирующих примесей [1-4], особенно с глубокими уровнями, по данному направлению до сих пор имеются различные точки зрения, которые иногда отрицают друг друга. В связи с этим, в данной работе приведены результаты исследований влияния нейтронного облучения электрофизические свойства образцов кремния, легированных никелем и кобальтом, полученные с помощь методов электронно-зондовой микроскопии и эффекта Холла. Изучены структурные состояния примесных скоплений кобальта в кремнии до и после облучения.

Результаты исследований состояний примесных скоплений были получены методом электронно-зондовой микроскопии, а электрические параметры образцов измерялись с помощью эффекта Холла. Исследования осуществляли на модельных образцах Si<Co> n- и р-типа до и после нейтронного облучения. Проведенный электронно-микроскопический анализ фазовых превращений примесных скоплений позволил идентифицировать последовательность процессов их распада, а также выявить кинетику данного процесса. В качестве исходного образца использовали кремний марки КЭФ с удельным сопротивлением r=40 Ом×см. Образцы, с различной степенью компенсации, были получены путем выбора температуры и времени диффузионного отжига. После диффузионного отжига образцы охлаждались со скоростью υ_охл=200 град/c. Нейтронное облучение образцов проводилось в интервале Ф=10¹³¸5×10¹⁷ н/см². После каждого этапа облучения исследовались основные электрофизические параметры образцов.

Результаты исследований по определению влияния нейтронного облучения на удельное сопротивление образцов Si<Co> n- и р- типа показали, что примесные атомы существенно влияют на процессы радиационного дефектообразования в кремнии. Полученные результаты зависимости r/r₀ от интегральной дозы облучения в образцах n-Si<Co> показали, при дозах облучения в интервале 10¹³¸2×10¹⁵ н/см² наблюдается незначительный рост, которое составляет ~5% (рис. 1). В образцах p-Si<Co>, при таком же интервале дозы облучения рост в значении r составляет ~33% (рис. 1). При дозах облучения в интервале Ф=2×10¹⁵¸5×10¹⁶ н/см², наблюдается характерный рост для образцов Si<Co> как для n-типа, так и для p-типа. В данном интервале дозы облучения удельное сопротивление образцов увеличивается приблизительно на 2 порядка (рис. 1). Дальнейшее увеличение дозы облучения приводит к незначительному росту значения r/r₀ образцов.

Рисунок 1. Зависимость r_t/r₀ от интегральной дозы облучения в образцах n-Si<Co> и р-Si<Co>

Проведенные структурные анализы с образцами p-Si<Co> показали, что до облучения в их объеме наблюдаются примесные скопления с размерами до 0,7 мкм (рис. 2 (а)). В начальных стадиях облучения скопления примесных атомов являются стабильными. При значениях дозы облучений Ф>5×10¹⁶ н/см² наблюдается заметные изменения плотности и формы примесных скоплений, т.е. под влиянием нейтронного облучения, в определенных ее дозах происходит распад примесных скоплений кобальта. Выявлено, что этот процесс имеет поэтапный характер, т.е. последовательность процессов распада скоплений происходит в зависимости от их размеров и формы. Первоначально к распаду подвергаются относительно мелкие скопления (<0,4 мкм), которые имеют иглообразные, пластинчатые и дискообразные формы. Далее с увеличением дозы облучения происходит распад мелких скоплений, с линзообразными и сферическими формами (рис. 5 (b)). Относительно крупные скопления (>0,5 мкм) со сферической формой являются более устойчивыми к облучению.

Рисунок 2. Снимки примесных скоплений кобальта в кремнии до (а) и после (b) влияния нейтронного облучения при Ф=5×10¹⁶ н/см²

Исследование температурных зависимостей электропроводности s(Т) и постоянной Холла R(Т) исходных и компенсированных образцов Si<Co> показали, что после облучения в них наблюдается появление дополнительного энергетического уровня Е_с-0,57 эВ. Предполагается, что появление данного уровня связано с образованием новых электрически активных комплексов примесных атомов кобальта с радиационными дефектами.

На основе полученных экспериментальных данных выявлено, что при облучении в изменении электрических свойств образцов кремния, легированного кобальтом основную роль играют взаимодействия радиационных дефектов с атомами легирующей примеси, находящихся до этого в электрически нейтральных состояниях, в виде различных примесных скоплений. В процессе облучения образцов Si<Co>, при определенных дозах облучения происходит распад примесных скоплений. В результате атомы примеси кобальта переходят в электроактивное состояние и активно взаимодействуют с радиационными дефектами.