Радиационные дефекты

При облучении твердых тел ионами, так же как и быстрыми частицами (нейтронами, протонами, электронами), образуются радиационные дефекты. Это могут быть либо точечные дефекты (вакансии и атомы в межузлиях, комплексы), либо их скопления, либо линейные и плоскостные дефекты типа дислокаций и дефектов упаковки. Интересным специфическим явлениям при облучении ионами является аморфизация полупроводника, т.е. полное разупорядочение структуры. От наличия дефектов и их концентрации зависят многие свойства полупроводника. Поэтому изучения закономерностей образования дефектов и их отжига важно для понимания процесса имплантации, а также для правильного использования этого метода в практике.

Рассмотрим механизм образования дефектов при бомбардировке ионами. Сталкиваясь с атомами мишени, ион передает им кинетическую энергию. Если передаваемая энергия превышает некоторую пороговую энергию Еd, атом мишени выбивается из узла решетки и двигается через кристалл. Сталкиваясь с другими атомами, он может при подходящей энергии в свою очередь смещать их со своих мест и т.д. таким образом, первичный ион вызывает каскад атомных столкновений, в результате которого возникают разнообразные дефекты. Их полное число и взаимное расположение зависят от характера распространения каскада по кристаллу. На распространение каскада влияет структура кристалла. Часть движущихся атомов попадает в каналы решетки, по которым их движение облегчено. В атомных рядах энергия может передаваться от атома к атому путем последовательных столкновений (фокусировки). Вдоль пути движущегося иона образуется сильно разупорядоченная область(рисунок 4). Размеры и форма этой области зависят от массы, энергии бомбардирующего иона, массы атомов мишени, её температуры структуры кристалла. При достаточно высокой температуре первичные дефекты, мигрируя по кристаллу, могут частично аннигилировать путем рекомбинации или выхода на поверхность, а частично объединяться между собой или с уже имевшимися дефектами и примесями в более устойчивые вторичные дефекты. Окончательный состав дефектов, их концентрация и распределение по глубине мишени зависят от числа и распределения первоначально смещенных атомов.

Существующие теории позволяют производить оценки числа смещенных атомов на 1 см2. при не слишком больших дозах это число равно ФNd, где Ф – доза (число ионов на см2), Nd – среднее число смещенных атомов на один ион.

Наиболее простой формулой, по которой легко оценить Nd, является формула Кинчина – Пиза

E >> Ed, (2.3)

где Е – энергия иона; Еd – пороговая энергия смещения атома мишени из узла кристаллической решетки.

Простейшими дефектами являются дефекты Френкеля, т.е. выбитые из узлов в межузлия атомы мишени и образовавшиеся при этом пустые узлы.

Вакансии при своем движении по кристаллу могут объединяться, образуя крупные скопления или вакансионные кластеры, причем для отжига последних требуется более высокие температуры.

Вакансии могут объединяться в пары – дивакансии, или более сложные комплексы тривакансии, тетравакансии и даже гексавакансии. Эти дефекты устойчивы при комнатной температуре. Например дивакансии отжигаются приблизительно при 550 К.

При бомбардировке ионами и последующем отжиге в результате объединения простых дефектов либо под действием механических напряжений, возникающих вокруг радиационных нарушений, часто образуются линейные дефекты – дислокации или дислокационные петли. Линейные дефекты в процессе отжига могут изменять свою длину, форму и местоположение в кристалле.

Вакансии и межузельные атомы могут группироваться в так называемые плоскостные и линейные включения (в виде дисков или стержней). Эти включения способны адсорбировать атомы примесей, отличающихся по размерам от атомов основного вещества, поскольку в этом случае поля механических напряжений вокруг включений понижаются. Отжиг при температурах 500 – 6000 С приводит к переходу плоскостных включений в дислокационные петли. Характер линейных и плоских дефектов зависит от типа ионов, дозы и температуры отжига.

При некоторых критических концентрациях радиационных дефектов кристаллическое состояние становится неустойчивым и происходит переход в аморфное состояние. Аморфизация имеет место не для всех полупроводников, но чем более выражен ковалентный характер связи, тем больше, вообще говоря, склонность вещества к такому переходу. Si и Ge являются примерами типичных ковалентных полупроводников, для которых данное явление изучено наиболее полно.