Влияние облучения на поверхностные свойства полупроводников - Бару В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
неметаллических кристаллах.
Удельные ионизационные потери при облучении тяжелыми частицами в
нерелятивистском приближении равны [19]:
-dE/dx = (2neh2ZNv/E)(M/m) In [(4E/U0)(m/M)]. (37.2)
Здесь eZ - заряд ядра бомбардируемого атома, ez - заряд быстрой частицы,
Nv - число атомов в единице объема, U0 - эффективный потенциал ионизации
бомбардируемого атома, для всех элементов (за исключением самых легких)
по порядку величины ?/0 ~ 10Z эв. При облучении быстрыми электронами,
начиная с Е 1 Мэе, необходимо учитывать релятивистские эффекты. В этом
случае [19]:
- dE/dx ~ (2ne4ZNv/mv2) In [mv2E/2Ul (1 - P2)] -
- (2 - 1 + p2) ln 2 + 1 - p2 + (1/8) (l -
(37.3)
Здесь E представляет собой полную энергию электрона минус энергия покоя,
Р = v/c, v - скорость электрона, с - скорость света.
Используя (37.2) и (37.3), можно оценить пробеги R заряженных частиц
в,
Д = - [ dE/(dE/dx), (37.4)
о
160
РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ГГЛ. 13
где Ео - начальная энергия частицьт. Например, в Si при Е0 ~ 1 Мэе для
электронов R ~ 10-1 см, для протонов R ~ 10-3 см, для а-частиц R ~ 5-10~4
см. Выражения (37.2) и (37.3) важны также для нахождения скорости
генерации неравновесных носителей заряда в облучаемом веществе. В
частности, число электронно-дырочных пар г)', рождаемых быстрой частицей
па единице длины пути, можно оцепить следующим образом:
-П' (ж) = \dE/dx |/еГ. (37.5)
Эта величина, проинтегрированная по всему пути, определяет "выход"
радиационной ионизации т] = Е01е{ • Здесь с;-средняя энергия, необходимая
для генерации одной электронпо-дырочпой пары г- даппом материале.
Согласно экспериментальным данным е! слабо зависит от энергии и вида
излучения. В табл. I, взятой из [16],
Таблица I
Энергетическая iцель и и средняя энергия ионизации в полупроводниках при-
комнаткой температуре.
По л упр о водник sia' эв 8i|3 ' 03 U, 88
Ge 2,85 + 0,1 2,4+0,2 2,5+0,3 0,665
Si 3,(5+0,05 4,0 + 0,2 3,55 + 0,1 1,12
Ga As - 6,3 - 1,35
CdS 7,2 9,3+1,0 - 2,4
•к * -к
приведены значения е,-а, ejp и etv, полученные экспериментально для ряда
полупроводников при а, |3 и 7-облучении. Там же для сравнения даны
значения энергетической щели и для этих веществ (все данные соответствуют
комнатной температуре).
Для расчета стационарных концентраций неравновесных носителей заряда
необходимо в неоднородной случае решать систему нелинейных уравнений
непрерывности (для электронов и дырок), кинетики захвата и уравнения
Пуассона. При заданной скорости генерации пар такой расчет в принципе
проводится так же, как и в случае фото-ионизации, обсуждавшемся в
предыдущих главах. В области однородной генерации, в отсутствие захвата,
5 37]
НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ
161
стационарную плотность п неравновесных электронов (дырок) легко оценить
по формуле
п = 1цк-1х, (37.6)
где 7 - плотность потока быстрых частиц или квантов, бомбардирующих
поверхность полупроводника, X - глубина генерации, т - рекомбинационное
время жизни.
Рекомбинационные процессы при облучении являются частью общего процесса
отжига радиационных дефектов. Отжиг сопровождается исчезновением дефектов
и восстановлением равновесных свойств кристалла. Отжиг неравновесных
электронов и дырок означает их рекомбинацию либо при непосредственном
столкновении, либо через рекомбинационные центры. В полупроводниках
характерные рекомбинационные времена жизни лежат в интервале 10-7-10~2
сек [23], поэтому рекомбинационный отжиг начинается в процессе облучения.
Соответственно, стационарные концентрации неравновесных электронов и
дырок зависят не от дозы облучения, а от мощности дозы, т. е. от
интенсивности бомбардирующего потока. Связанные с неравновесными
электронами и дырками изменения свойств исчезают в полупроводниках, как
правило, одновременно с прекращением облучения. Более длительные
изменения, обусловленные ионизационными процессами, возможны в
полупроводниках и диэлектриках вследствие захвата неравновесных
электронов и дырок в объеме или на поверхности кристалла [23].
Эффективными центрами захвата могут быть примеси или дефекты решетки, как
равновесные, так и возникшие при облучении. Для освобождения захваченных
носителей заряда, которое предшествует рекомбинации, необходима энергия
активации Е ~ 0,1-1 эв. Поэтому релаксационные времена при наличии
захвата и пространственного разделения неравновесных электронов и дырок
могут возрасти при комнатной температуре до 103-104 сек и более,
обусловливая различные явления радиационной и фотопамяти. Примером таких
эффектов служит "замороженная неравновесная проводимость" в
полупроводниках [24], способная сохраняться несколько суток.
Соответствующие эффекты "памяти" в адсорбционных экспериментах подробно
обсуждались в гл. 5. Мы столкнемся с ними и в дальнейшем.
11 В. Г. Бару, Ф. Ф. Волькенштейн
162
РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ [ГЛ. 13
§ 38. Возникновение точечных дефектов решетки
Простейшими нарушениями кристаллической структуры, возникающими при
