І А Большакова - Дослідження впливу температури опромінення на зміну параметрів напівпровідникових сенсорів магнітного поля - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 621.315.592

І.А. Большакова, І.С. Гумен, Н.В. Ковальова, О.Ю. Макідо, В.Т. Маслюк, І.Г. Мегела, Ф.М. Шуригін

Національний університет "Львівська політехніка", кафедра напівпровідникової електроніки

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕМПЕРАТУРИ ОПРОМІНЕННЯ НА ЗМІНУ ПАРАМЕТРІВ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СЕНСОРІВ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВІ InSb ТА InAs

© Большакова І.А., Гумен І.С., Ковальова Н.В., Макідо О.Ю., Маслюк В.Т., Мегела І.Г., Шуригін Ф.М., 2008

I.A. Bolshakova, I.S. Gumen, N.V. Kovaliova, O.Yu. Makido, V.T. Masliuk, I.H. Mehela, F.M. Shurygin

INVESTIGATION OF IRRADIATION TEMPERATURE INFLUENCE ON THE CHANGE IN PARAMETERS OF SEMICONDUCTOR

MAGNETIC FIELD SENSORS BASED ON InSb AND InAs

© Bolshakova I.A., Gumen I.S., Kovaliova N.V., Makido O.Yu., Masliuk V.T., Mehela I.H., Shurygin F.M., 2008

Виконано дослідження впливу температури опромінення сенсорів на основі гетероструктур n-InSb/i-GaAs та n-InAs/Al2O3 високоенергетичними електронами в діапазоні від 0 до 200 °С, а також впливу ізохронного відпалу у вакуумі на параметри опромінених зразків. Показано, що під час опромінення в гратку InSb та InAs вводяться радіаційні дефекти як донорного, так і акцепторного типів. Встановлено, що ефективність впливу радіаційних дефектів на властивості досліджених структур залежить від рівня легування епітаксійних плівок та температури опромінення. Методом ізохронного відпалу зразків, опромінених при різних температурах, доведено, що точкові радіаційні дефекти, які виникають під час опромінення високоенергетичними електронами, зазнають часткового відпалу під час високотемпературного опромінення.

The impact of temperature of n-InSb/i-GaAs and n-InAs/Al2O3 heterostructure-based sensors' irradiation with high-energy electrons in the range from 0°C up to 200°C, as well as the influence of isochronous annealing in vacuum upon the parameters of irradiated samples have been investigated. It has been demonstrated that radiation defects of both donor and acceptor types are input into InSb and InAs lattice during irradiation process. It has been determined that the effectiveness of radiation defects' impact on the characteristics of structures under research depends upon the level of epitaxial films' doping and irradiation temperature. It has been proved with the help of samples' isochronous annealing method (applied to the samples irradiated at different temperatures) that point radiation defects appearing at irradiation with high-energy electrons sustain partial annealing in the course of high-temperature irradiation.

Вступ

Під час опромінення високоенергетичними частинками In-вмісних напівпровідникових матеріалів групи А3В5 важливим аспектом є дослідження впливу утворених радіаційних дефектів на їх параметри. Для уникнення всіх побічних факторів дослідження впливу радіаційних дефектів напараметри матеріалу виконують потоком електронів великих енергій, руйнівну силу яких можна зіставити із дією швидких нейтронів на напівпровідниковий матеріал [1].

Сьогодні основним напрямком використання матеріалів InSb та InAs є виготовлення на їх основі сенсорів магнітного поля, тому, враховуючи деякі умови експлуатації (ядерна фізика, відкритий космос), особливо актуальним питання про стійкість сенсорів магнітного поля до дії високоенергетичної радіації при температурах, вищих за кімнатну [2, 3], а також про вплив температури опромінення на поведінку радіаційних дефектів у матеріалі.

Як відомо, при опроміненні напівпровідників групи III-V в гратку матеріалу вводяться радіаційні дефекти як донорного, так і акцепторного типів, а ефективність їх впливу на властивості цього напівпровідника залежить від рівня легування та типу провідності вихідного матеріалу. При тому рухливість утворених радіаційних дефектів, їх анігіляція та відпал залежать від типу матеріалу та температури, а відпал радіаційних дефектів широко використовують в технології одержання ядернолегованих матеріалів InSb [4, 5] та InAs [6] для стабілізації параметрів матеріалу.

Тому питання утворення та відпалу радіаційних дефектів при різних температурах опромінення, характеру їх впливу на властивості матеріалу мають істотне значення в технології виготовлення напівпровідникових приладів для екстремальних умов експлуатації та оцінювання їх радіаційної стійкості.

Опис експерименту

Опромінення досліджуваних тонкоплівкових сенсорів магнітного поля на основі InSb та InAs було виконано електронами з енергією 13 МеВ при інтенсивності потоку ф = (1,5-^1,8)-1013 см-2-с-1 до флюенсу Ф=5,0-1017 см-2 на імпульсному прискорювачі мікротрон М30 у Відділі фотоядерних процесів Інституту електронної фізики НАН України (м. Ужгород). Опромінення виконували в трьох контейнерах з однаковим набором досліджуваних зразків при різних температурах опромінення: 0, 100 та 200 °С. Опромінення електронами виконували при струмі пучка до 50 мкА, тривалості імпульсу - 0,2-0,3 мс, частоті подавання імпульсів - 2 кГц. Температури опромінення 0 та 100 °С забезпечувались обдуванням контейнера із зразками парами рідкого азоту, температуру опромінення 200 °С досягали радіаційним розігріванням контейнера. Температура опромінення контролювалась термопарою, яка була розташована безпосередньо біля досліджуваних зразків.

Вимірювання електрофізичних параметрів досліджуваних зразків виконували до та після опромінення при температурі 30°С на прецизійному стенді TI-3, створеному в Лабораторії магнітних сенсорів Національного університету "Львівська політехніка" на базі установки HMS 7504 (Lake Shore, USA). Похибка вимірювання відносної зміни концентрації носіїв заряду становила ±0,1 %.

Дослідженню підлягали сенсори на основі гетероструктури n-InSb/i-GaAs з початковою концентрацією носіїв заряду n1 = 2-1016 см-3 та n2 = 2-1017 см-3 з чутливістю відповідно 690 мВ/Тл та 340 мВ/Тл, вхідним опором відповідно 150 Ом та 14 Ом. Сенсори на основі n-InAs/Al2O3 характеризувались початковою концентрацією носіїв заряду n = 2-1018 см-3, чутливістю (210-330) мВ/Тл та вхідним опором (43-80) Ом.

Результати дослідження та їх обговорення

Як показали результати дослідження, під час опромінення напівпровідникових сенсорів високоінтенсивним потоком = 1,7-1013 см-2-с-1) електронів високих енергій (Е = 13 МеВ) зміни параметрів сенсорів залежать від температури опромінення, вихідної концентрації носіїв заряду та матеріалу сенсора.

Дослідження впливу температури опромінення на зміну параметрів сенсорів магнітного поля на основі n-InSb показали, що поведінка сенсорів залежить від температури електронного опромінення та від вихідної концентрації носіїв заряду досліджуваних зразків.

Одержані температурні зміни концентрації носіїв заряду Dn/n для тонкоплівкових сенсорів n-InSb з різними вихідними концентраціями показані на рис. 1-2.

250

І 200 м

X

та о.

X

х

о

та і:

м та х и о

X

m

150

100

50

-50

-50

50 100 150

Температура Т, С

200 250

Рис. 1. Залежність відносної зміни концентрації носіїв заряду від температури опромінення для зразків n-InSb з n0 = 21016 см'3 (Ф=5,01017 ел-см'2)

0

0

60

х

'=г а.

X

ш

X

о

X

X

о о

X

ш 40

20

.£0

с Q

-20

-40

-60

-50

50 100 150

Температура Т, С

200 250

Рис. 2. Залежність відносної зміни концентрації носіїв заряду від температури опромінення для зразків n-InSb з n0 = 210   см' (Ф=5,010 ел-см')

0

Зростання температури опромінення електронами з енергією 13 МеВ призводить до зміни знака відносної зміни концентрації носіїв заряду як для зразків з вихідною концентрацією n0 = 2-1016 см-3, так і для зразків з n0 = 2-1017 см-3. Зменшення концентрації носіїв заряду для обох вихідних концентрацій спостерігається при температурі опромінення Топр = 0 °С.

Оскільки зміна електрофізичних параметрів опроміненого матеріалу визначається співвідно­шенням між кількістю утворених радіаційних дефектів донорного та акцепторного типів [7], то зменшення концентрації вільних електронів під час опромінення електронами можна пояснити утворенням радіаційних дефектів переважно акцепторного типу, рівні яких розташовані в нижній половині забороненої зони.

Зростання температури опромінення до 100 °С істотно впливає на поведінку матеріалу з малою вихідною концентрацією носіїв заряду n0 = 2 1016 см-3. За таких умов опромінення спосте­рігається зростання концентрації носіїв заряду в опромінених зразках. До того ж, для зразків з

По = 2-Ю17 см"3 таке підняття температури опромінення на зміну концентрації носіїв заряду практично не впливає (Ап/п = -51 % при Топр = 0 °С, Ап/п = -50 % при Топр = 100 °С). Зростання концентрації носіїв заряду під час опромінення високоенергетичними електронами для обох вихідних концент­рацій спостерігається при високотемпературному опроміненні (Топр = 200 °С). При тому для зразків з п0 = 2-1016 см-3 зростання концентрації досягає Ап/п = 130 %, а для п0 = 2-1017 см-3 - Ап/п = 35 %.

Одержані результати не протирічать виконаним раніше дослідженням впливу температури опромінення на параметри слабколегованого n-InSb. Так, було визначено, що опромінення при низьких температурах (Топр < 80 K) електронами з енергією ~1МеВ приводить до n-p конверсії типу провідності слабколегованого n-InSb [8], а опромінення електронами з E < 8 МеВ при температурі Топр = 300 K приводить до утворення зразків InSb n-типу провідності з концентрацією вільних носіїв заряду п ~ 1014 см-3 [8, 9]. Тобто із збільшенням температури опромінення зразка зростає частка дефектів, енергетичні рівні яких розташовані у верхній половині забороненої зони.

З метою отримання інформації про радіаційно-фізичні процеси, що відбуваються в n-InSb під час опромінення високоенергетичними електронами за різних температур опромінення, був виконаний ізохронний відпал досліджуваних мікрокристалічних сенсорів протягом 20 хв в інтер­валі температур 30-250 °С. Залежності концентрації носіїв заряду та чутливості сенсорів з різною початковою концентрацією носіїв заряду від температури відпалу, опромінених при різних температурах, показані на рис. 3-6.

«

ЄР

cS

CO

■її

о о а

З

& а

а

о

7x1016 6x1016 5x1016 4x1016 3x1016 2x1016

1x1016

0 L

0

50       100      150 200

Температура відпалу Т, °С

250

Рис. 3. Залежності концентрації носіїв заряду від температури ізохронного відпалу для зразків n-InSb з вихідною концентрацією носіїв заряду п0=21016см-3, опромінених при температурах: 1 - Топр=0 °С; 2 - Топр=100 °С та 3 - Топр=200 °С. На осі ординат показані значення концентрації після опромінення електронами до Ф=51017 см-2

З одержаних залежностей очевидно, що тип радіаційних дефектів та їх стійкість у матеріалі n-InSb залежить від вихідної концентрації напівпровідникового матеріалу та температури опромінення.

Аналіз результатів виконаних експериментальних досліджень показав, що для сенсорів на основі n-InSb, опромінених при температурі 0 °С, відпал первинних донорних радіаційних дефектів відбувається в інтервалі температур 30-100 °С, про що свідчить зростання чутливості сенсорів, яке становить 3 % для матеріалів сенсорів з концентрацією носіїв заряду n = 2-Ю17 см-3 та 14 % для п0 = 2-1016 см-3. До того ж для сенсорів, опромінення яких виконували при високих температурах 100 та 200 °С зміни чутливості при температурах відпалу 30-100 °С не спостерігається.

о CP

ca

го

m

о о К « '5і

CP

о

к

о

3,0x1017 2,5x1017 2,0x1017 1,5x1017 1,0x1017 5,0x1016

 

4

 

 

 

 

 

 

Г          Ш -Щ-

2

 

 

■ 1

і ■

і      . і

■ і

50       100      150      200 250

Температура відпалу Т, °С

0

Рис. 4. Залежності концентрації носіїв заряду від температури ізохронного відпалу для зразків n-InSb з вихідною концентрацією носіїв заряду п0=2-1017см-3, опромінених при температурах: 1 - Топр=0 °С; 2 - Топр=100 °С та 3 - Топр=200 °С. На осі ординат показані значення концентрації після опромінення електронами до Ф=51017 см-2

800 700

л

н

m 600

м,

е/і"

S 500

ів

лт 400

у

300

200

0       50      100     150     200 250

Температура відпалу Т, °С

Рис. 5. Залежності чутливості сенсорів на основі n-InSb від температури ізохронного відпалу для зразків з вихідною концентрацією носіїв заряду п0=21016см-3, опромінених при температурах: 1 - Топр=0 °С; 2 - Топр=100 °С та 3 - Топр=200 °С. На осі ординат показані значення чутливості сенсорів

після опромінення електронами до Ф=51017 см-2

В інтервалі температур 150-200 °С поведінка зразків, опромінених при температурі 100 °С, залежить від вихідної концентрації носіїв заряду. Якщо для зразків з вихідною концентрацією носіїв заряду n0 = 2-1017 см-3 характерним є стабільність параметрів при температурах відпалу < 200 °С, то для зразків з n0 = 2-1016 см-3 відпал в інтервалі температур 150-200 °С приводить до зростання чутливості сенсора на 35 % за рахунок відпалу точкових радіаційних дефектів донорного типу. Поява саме точкових радіаційних дефектів донорного типу в даному матеріалі під час електронного опромінення і приводить до різкого зростання концентрації носіїв заряду (до 40 %) в цих зразках.

800

2 1

3

0 50 100        150        200 250

Температура відпалу Т, °С

Рис. 6. Залежності чутливості сенсорів на основі n-InSb від температури ізохронного відпалу для зразків з вихідною концентрацією носіїв заряду п0=2-1017см'3, опромінених при температурах: 1 - Топр=0 °С; 2 - Топр=100 °С та 3 - Топр=200 °С. На осі ординат показані значення чутливості сенсорів

після опромінення електронами до Ф=51017 см'2.

Однак при вищих температурах відпалу порядку 200-250 °С для всіх концентрацій спостері­гається помітне зменшення чутливості (до 20 % в зразках, опромінених при Топр=0 °С, та 10 % при Топр=100 °С), що свідчить про відпал радіаційних дефектів переважно акцепторного типу. До того ж у зразках, опромінених при 200 °С, відпал у всьому інтервалі температур від 30 °С до 250 °С не приводить до помітної зміни чутливості і лише при 300 °С спостерігається незначне (4 %) зростання чутливості. Тобто, можна стверджувати, що під дією опромінення високоенергетичними електронами в матеріалі n-InSb утворюються радіаційні дефекти як донорного, так і акцепторного типів, а температура їх відпалу буде залежати від температури опромінення матеріалу.

На основі одержаних результатів можна виділити декілька стадії відпалу утворених радіацій­них дефектів в матеріалі n-InSb: 1- (30-150) °С, стадія відпалу точкових радіаційних дефектів донорного типу; 2 - (200-250) °С, стадія відпалу точкових радіаційних дефектів акцепторного типу; 3 - >250 °С, стадія відпалу складніших радіаційних дефектів, так званих розупорядкованих областей та кластерів дефектів.

При низькотемпературному опроміненні електронами (Топр = 0 °С) переважна більшість точкових дефектів донорного типу анігілюється в n-InSb ще при кімнатних температурах, тому основний вплив на зміну електрофізичних параметрів матеріалу матимуть радіаційні дефекти акцепторного типу, відпал яких спостерігається при температурах >200 °С. Збільшення температури опромінення (Топр=100 °С) приводить до зсуву температури відпалу точкових радіаційних дефектів в напівпровідниковому матеріалі до 150-200 °С. Тобто при опроміненні n-InSb електронами високих енергій (Е = 13 МеВ) температура відпалу радіаційних дефектів залежить від температури опромінення та із її зростанням спостерігається зсув цієї стадії у бік вищих значень температур [8]. При температурі опромінення Топр = 200 °С відпал точкових радіаційних дефектів в напівпровідниковому матеріалі відбувається під час опромінення, а збільшення концентрації носіїв заряду в матеріалі зв'язано із виникненням в забороненій зоні InSb глибоких рівнів, які пов'язують із утворенням розупорядкованих областей, що характеризують­ся електронною провідністю [1, 8].

За тих самих умовах опромінення для тонкоплівкових сенсорів на основі n-InAs (рис. 7) спостерігається зворотна залежність повіряно із поведінкою зразків InSb: з ростом температури опромінення значення відносної зміни концентрації носіїв заряду зменшується п/n = 40% при Топр=0 °С, Лп/п = 30 % при Топр=100 °С та Лп/п = 25 % при Хшр=200 °С).

л

н

ся

т

о

т у

700

600

500

400

300

Я

Я /—)

Он

£(

Я

cl> Я

g <

я в; Ср

со to

cS СИ

я .:я

о о

о о

3

52 48 44 40 36 32

28 24 20

16 12

8 4

50

100

150

200

Температура, Т (°С)

Рис. 7. Залежність відносної зміни концентрації носіїв заряду від температури

18       3 17 2

опромінення для зразків n-InAs з п0 = 210   см' (Ф=5,010 ел-см')

0

0

Відомо, що зміна параметрів n-InAs під дією опромінення високоенергетичних електронів пов' язана із введенням в матеріал більшої кількості радіаційних дефектів донорного типу порівняно з кількістю радіаційних акцепторів та зміщенням рівня Фермі під дією опромінення в область дозволених енергій [7, 10].

Виконаний ізохронний відпал тонкоплівкових сенсорів на основі n-InAs, опромінених при різних температурах (0, 100 та 200 °С), показав (рис. 8), що зростання чутливості при температурі відпалу 100-150 °С спостерігається тільки для сенсорів після опромінення при Топр = 0 °С та Топр = 100 °С. До того ж для сенсорів n-InAs, опромінених при Топр = 0 °С, зростання чутливості сенсора за рахунок відпалу точкових радіаційних дефектів донорного типу починається при температурі 100 °С і досягає 14 %. Для зразків, опромінених при Топр = 100 °С, зростання температури опромінення зумовлює зсув температури відпалу утворених радіаційних дефектів у бік вищих температур - > 150 °С, а зростання чутливості в інтервалі температур 150-200 °С досягає лише 1 %, що свідчить про залежність кількості точкових радіаційних дефектів, утворених під дією електронного опромінення, від температури опромінення.

180

170

н m

м

т

о 'и

я

р

у

160

150

140

130

0 50        100        150 200

Температура відпалу Т, °С

Рис. 8. Залежності чутливості тонкоплівкових сенсорів на основі n-InAs від температури ізохронного відпалу для зразків, опромінених при температурах: 1 - Топр=0 °С; 2 - Топр=100 °С та 3 - Топр=200 °С. На осі ординат показані значення чутливості сенсорів після опромінення електронами до Ф=51017 см-2

Зміни чутливості сенсорів n-InAs після високотемпературного опроміненняопр = 200 °С) в діапазоні температур відпалу 50-150 °С не спостерігається. Можна зробити висновок, що зростання температури опромінення до Топр = 200 °С для сенсорів n-InAs приводить до відпалу точкових радіаційних дефектів під час опромінення, а зміна чутливості сенсорів пов'язується із утворенням в матеріалі під час високотемпературного опромінення кластерів радіаційних дефектів донорного типу [11], відпал яких починається при Т>300 °С.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

І А Большакова - Дослідження впливу температури опромінення на зміну параметрів напівпровідникових сенсорів магнітного поля

І А Большакова - Сенсорні пристрої магнітного поля на сенсорах холла з розщепленою структурою

І А Большакова - Дослідження впливу нейронного опромінення на тонкоплівкові сенсори магнітного поля

І А Большакова - Об'ємне моделювання процесів у холлівських пластинах в сильно неоднорідних магнітних полях

І А Большакова - Особливості технології вирощування мікрокристалів твердого розчину