Введение к работе
Актуальность темы.
В ядерной спектрометрии в последнее время все бо^ее ашро-кое применение находят полупроводниковые- детекторы ионизирующих излучений. Несмотря на успешное использование в последние годы бинарных полупроводниковых соединений, s также алмаза, основными материалами для создания таких детекторов до настоящего времени остаются монокристаллическиз сі и g«, причем развитие идет е направлении получения все более высскоомного. совершенного по структуре материала. В релении этой задачи доминирующий ранее способ компенсации, материала путем дрейфа ионов ы успешно дополняется получением особочистых материалов, обладаклвдх исходно высоким удельным сопротивлением. Последнее направление делает материал весьма чувствительным к последующей технологии изготовления полупроводникового детектора.
Создание пленарных приборов на основе внсокоомного si связано с трудностями, обусловленными его чувствительностью к высокотемпературным воздействиям, отсюда, работа с конкретней маркой материала требует поиска оптимальных техно/сгических и конструктивных вариантов...
Воздействие ядерного излучения на иолуироводнакоЕые детекторы является обязательным в силу их назначения. Традиционным являлось изучение деградации на пучках ускоренных ионов с энергией 1-5-3 МэВ, имея в виду применение детекторов в ядерном микроанализе. Последнее повышение интереса к этим вопросам, в.особенности к нейтронному воздействию, связано с проблемой использовашя кремниевых детекторов в адронних калориметрах длл экспериментов :ґо исследованию фундаментальных процессов вгаииодействик частиц сверхвысоких энергий.
Гил, тому настоящая диссертационная рвбота, направленная на решение задач адаптации высокооидого особочистого кремния v углклач шикарной технологии и условиям работе при яекйбеаних радиационных воздействиях является актуальной.
Целью настоящей работы явилось есслэдование уермичеокси стабильности вксокоомного кремния и Боздействгч раз;шчш.; еиц;->:< жесткого излучения на детекторы на его оснеш. Эксперимент1» вк-
- 4 -подаєш о применением высокочувствительного метода еыкостной релаксационной спектроскопии curs. Соотчьтотвенко, в задачи работы входят вопросы изучения термических и радиационных дефектов, развития методических возможностей техники di.ts и практических рекоиендэцйй в отноагении изготовления и использования кремниевых детекторов.
Для выполнения постапленной цели были сформулированы конкретные задачи:
- провести сравштельный анализ термостабильности кремния,
выращенного методами зонной плавки и Чсхральского;
- сравнить спектры радиационных дефектов, возникающих в
детекторах из высокооннсго кремния после воздействия а-частиц,
деЗтронов и нейтронов;
определить роль фоновых примесей (о, с ) при дефектообра-зованки в выоокоомном кремнии;
исследовать влияние. термических, и радиационных дефектов чэ характеристики непосредственно детекторов;
развить методические особенности применения техники DLTS к детектором различной структуры;
еыявить специфику исследования детекторов с высокой концентрацией точечных дефектов.
Научная нсвизка-
1. Проведено исследование термостабильности высокооыного
кремшя в слабо изученном диапазоне тешієратур ( . 100ОС ) и
длительностей ( от 1*2 часов до десятков не ) термовоздействий.
Установлено, что основным глубокий центром (ГЦ), определяющим
термоотгоильность при воздействиях, характерных для пленарной
технологии получения . детекторных р+-ч-м+-структур, является
уровень Et.-0,ti5 эВ.
2. Исследованы радиационные дефекты (Рд) е нияней половине
.запрещенной зоны, связанные с углеродом. Показано, что скорость
отжига РД, обусловленного иетадоузельным углеродом, существенно
зависит от технологии изготовления детекторов на основе зонного
кремнии, Вперше покеьяно ч'ак'хе, что в процессе отжига после
1.пди:л^;ошюго воздействия ьлекгричоски неькптный углерод мокет
переходить ч электрически активное состояние, оо^азул К01І1ІЛЄКС
З- На основе срознєния экспериментальных данннх по концентрации образующихся дефектов и приращению обратного тока диодных структур после облучения а-частиламя и осколками деления га-се и расчетных данных тю моделированию радиационных позрзэденгай установлены особенности образования, перезарядки и диссоциации пар Френкеля для указанных воздействий.
4. ВПарВЫа МЄТОДОИ DLTS ИСС'ЛеДОВаНЫ РД, ЕОЗНИКаВДИе В n-Si
при облучении дейтронами с непрерывным спектром по энергии СЬЭОО кэВ, что характерно для задач ядерного микроанализа. Проведено сопоставление возникших дефектов и изменения обратного тока детекторов. Показано, что изменение обратного тока не коррелирует с отжитой РД. Предложена формула для оценки концентрации дефектов для случая малой глубины их залегания.
5. Разработана новая методика исследования дефектов в р+-п-
переходах из высокоошюго кремния, облученных большой дозой
«-частиц, нейтронов в методе dlts. Режим с предъинжекцией
(pfp-dlts) поззоляет заполнять основными носителями заряда уров
ни в верхней половине запрещенной зона кремния в тех случаях,
когда в стандартном режиме этого не происходит.
Практическая значимость
-
Результата работы указывают, что терыодефечты, возникающие в условиях пониженных температур окислзния и малых длительностей термовоздействий, не вызывают существенного ухудшения объемных свойств кремния. В целом термостабильность зонного кремния по сравнению с Чохральсккм выше, и оптимизация технологического цикла данного материала позволяет обеспечить наличие в объеме единственного уровня ес-0,55эВ , с концентрпїщей меньше 3*10 си-3.
-
Для детекторного кремния при мажх дозах воздействия определен! численные коэффициенты поврєвдаемосиі по току для «-частиц, дейтронов и осколков деления, что позволяет прогнозировать радиационную стойкость детекторов дли данных излучеыЫ.
3. Возрастание обратного тока детектора при воздейстгии
«-частиц, дейтронов и нейтронов может оыть существенно снижено в
результате низкотемпературного ( ^ 50 С ) отгигп. Последующий
-6--.
отжиг гри более высоких темперетурах (І50+400 С) на приводит к заметному снижению їоко.
4. Установлены особенности использования метода dlts применительно к структурам На основе высокоомного si. При этом введен критерий выполнения корректных dlts измерений, показана связь "ложных" пиков dlts с особенностями конструкции планарных детекторов. Предложена модификация метода dlts (pfp-dlis), которая позволила исслодовать РД в сильно облученном материале.
5- Показано, что линеэлизущим параметром при измерении основных характеристик детекторов является напряженность электрического поля. Это позволило раздельно определять всю совокупность параметров (время жизни носителей в плазме трека, скорость рекомбинации на границе Au-n-si и в р+-слое. толщину входного окна), характеризующих потери заряда пря формировании сигнала в детекторах.
Основные положения, выносимые на аьщту.
-
Независимо от способа получения кремния температура тер-мовоэдгйствия вблизи 1000 С является критической с точки зрения стабильности возникающих цзнтрсв. Формирование структуры дефектов, определяющих электрически активные глубокие центры, происходит на стадии термического окисления. Основным глубоким уровнем, определяющий термостабильность высокоомного кремния в диапазоне температур 900+1000 С, является уровень Ес-0,55 эВ. Кроме того, в разных марках, sj наблюдается конкуренция в возникновении данного уровня и уровня с энергией активации Ес-0,45 эВ.
-
После радиационного воздействия в нижней половине запрещенной зоны крешгик при комнатной температуре происходит перестройка связанных с углеродом дефектов. При малых дозах она осу-Щ'эствллется по механизму реакции первого порядка. Скорость зтой перестройки в материале, выращенной лонной плавкой, зависит от технологии изготовления детектора.
-
Низкотемпературный отжиг детекторов, облученных «-частицами дозой, большей IcPtcvT*. при тешературе 75 С позволяет отхачь до 70 вызванного облучением генерационного тока. При этом уменьшение тока не связано с отжягом наиболее глубокого радиационного дефекта - Е-цектра. Низкотемпературный стииг тока
сопровождаэтся перестройкой. нестабильных при коннчтной температуре радиационных дефектов, в частности, полностью отжигается мевдоузельннй углерод.
4. Предложено использовать в качестве критерий пртвлешмс-стя
метода dlts к р+-п-структурем линейный ход зависимости высоты
пиков в спектрах dlts от напряжения смешения в степени -3-'2. Это
подтверждает равномерное распределение концектрэции глубоких
центров, постоянство эффективной площади Ешірямлящего контак
та, отсутствие влияния сопротивления базы и потенциального барь
ера у омического контакта на измерения релаксации барьерной ем
кости перехода.
-
Релаксация емкости, связанной с периферией р+~»-парохода в пленарном детекторе, приводит к появлению локных> пиков в спектрах dlts, то есть не связанных с глубокими уровнями (ГУ) в запрещенной зоне материала.
-
Наличие ГУ в нижней полозянз запрещенной зоны кремния позволяет заполнять основными носителями заряда глубокий центр, располагающийся выше уровня Ферми в n-базе путем предварительной инжекпии дырок- Это неравновесное состояние сохраняется время, достаточное для измерения сигнала dlts. Тачой подход позволил обосновать новую кодификацию в методе dlts (pfp-plts).
-
Возможен режим, при котором в условиях протекания тока через р+-п-переход для случая, когда концентрация глубокого центра превосходит концентрацию легирующей принеси, непрерывное иаменение барьерной емкости, связанноэ с термическим знбросом носителей с глубокого уровня, сменяется, переходами от одного установившегося состояния к другому, определяемому величиной температуры, тока и глубины залегания уровня. Температурная зависимость емкости з таких условиях чотсет Сыть использована для определения глубины залегания уровня.
-
Основ.'* параметром, оярадвлязоцта деградация детекторов под действием зь^стлих излучений является объем.чо? время жизни-Параметр, хьрактеръ-зущий перифэрию р+-п--пер.^хода (толщгнл мертвого слоа) не меняется при воздействии корсткспрос'йясшх частиц. Физически обоснована и развита методика дифференциации ооъешш ч поверхностных состав дающих потерь заря^Р при роюттрдцйи -іаетчц.
-s-
Апробация работы. Результаты работы докладывались на v проблемном семинаре "Физика и технике полупроводниковых детекторов" (Гатчина 1990); на v Всесоюзном совещании по материаловедению и физико-химическим основам получения легированных конокристаллов кремния (Москва 1990); на I национальной конференции "Дефекты е пслупроводниках" (С-Петербург 1992); на Меядународной конференции "Ядерные и космические радиационные эффекты" (Новый Орлеан 1992); на I Международной конференции "Широкомасштабные применения и радиационная стойкость полупроводниковых детекторов" (Флоренция I9S3).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, список которых приведен в конце автореферата-
Структура и объем работы- Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работа составляет 20G стр., в той числе страниц машинописного текста - 134, рисунков - 43, таблиц - 10. библиография - 159 наименовании на 19 страницах.
