Физические процессы в полупроводниках при облучении быстрыми частицами. Теория и расчет

 

 
Кафедра полупроводниковой электроники 
и физики полупроводников 

Е.А. Ладыгин, П.Б. Лагов, В.Н. Мурашев 

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРИ 
ОБЛУЧЕНИИ БЫСТРЫМИ ЧАСТИЦАМИ. 
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ 

Учебно-методическое пособие  
для курсового и дипломного проектирования 
для студентов специальности 200100 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института в качестве учебного пособия 

 

МОСКВА 2001 

№ 1678 

 

УДК 539.311.322:539.171 
 
Л15 

Л15 
Ладыгин Е.А., Лагов П.Б. , Мурашев В.Н. Физические процессы 
в полупроводниках при облучении быстрыми частицами. Теория и расчет: Учеб.-метод. пособие. – М.: МИСиС, 2001. – 47 с. 

В пособии кратко изложены современные теоретические 

представления об образовании первичных дефектов в объеме полу
проводника, приведены формулы для расчета основных электрофи
зических параметров монокристаллических полупроводников при 

воздействии быстрых частиц и гамма-квантов в широком диапазоне 

энергий. Цель пособия заключается в приобретении практических 

навыков выполнения расчета полного числа неравновесных смеще
ний атомов в единице объема полупроводникового монокристалла 

при облучении различными видами частиц и гамма-квантов надпоро
говых энергий. Приведены точные значения фундаментальных фи
зических констант, необходимых для расчетов, а также наглядные 

графические зависимости рассчитываемых параметров от условий 

облучения для кремния, которые полезно использовать для само
проверки результатов расчета. 
Пособие предназначено для студентов специальности 200100 
«Микроэлектроника и твердотельная электроника», выполняющих курсовые работы по дисциплине «Основы лучевой технологии микроэлектроники», а также пособие будет полезно студентам, аспирантам и специалистам, 
выполняющим дипломные и научно-исследовательские работы в области 
радиационной физики, материаловедения, технологии полупроводниковых 
приборов и интегральных схем. 

 Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС) 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................... 4 
1. Облучение быстрыми электронами .................................................... 7 
1.1. Смещение атомов из узлов кристаллической решетки .............. 7 
1.2. Максимальная энергия, передаваемая атому облучаемого 
кристалла ....................................................................................... 8 
1.3. Средняя энергия, передаваемая атому облучаемого 
кристалла ....................................................................................... 9 
1.4. Поперечное сечение упругих столкновений и скорость 
электронов ................................................................................... 10 
1.5. Каскадный процесс смещений ................................................... 13 
1.6. Полное число смещений в единице объема кристалла ............ 15 
1.7. Энергетические потери и длина пробега ................................... 17 
1.8. Представление исходных данных и результатов расчета ........ 21 
2. Облучение гамма-квантами ............................................................... 22 
2.1. Фотоэффект .................................................................................. 22 
2.2. Рассеяние гамма-излучения (эффект Комптона) ...................... 24 
2.3. Образование электрон-позитронных пар .................................. 27 
2.4. Расчет числа смещений ............................................................... 28 
3. Облучение нейтронами ...................................................................... 32 
3.1. Общие сведения о взаимодействии нейтрона с 
веществом .................................................................................... 32 
3.2. Смещение атомов ........................................................................ 33 
3.3. Максимальная и средняя энергия, передаваемая атому .......... 34 
3.4. Поперечное сечение взаимодействия ........................................ 35 
3.5. Каскадный процесс смещений ................................................... 35 
3.6. Полное число смещений ............................................................. 36 
3.7. Неупругое рассеяние нейтронов ................................................ 37 
4. Облучение протонами ........................................................................ 38 
4.1. Общие сведения ........................................................................... 38 
4.2. Максимальная и средняя энергия, передаваемая атому 
вещества ....................................................................................... 39 
4.3. Поперечное сечение столкновений и длина пробега ............... 40 
4.4. Каскадный процесс смещений ................................................... 42 
4.5. Полное число смещений ............................................................. 43 
Заключение .............................................................................................. 45 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Результаты исследований радиационной стойкости полупроводниковых элементов радиоэлектронной аппаратуры, проведенных 
в течение последних десятилетий отечественными и зарубежными 
учеными, показали, что ионизирующие излучения и радиационные 
методы с их использованием представляют большой практический и 
научный интерес для различных направлений полупроводниковой 
электроники, технологии микроэлектроники, физики и материаловедения полупроводников. Назовем некоторые из этих направлений: 
– изучение радиационных эффектов в полупроводниковых 
приборах (ППП) и интегральных схемах (ИС), определение их радиационной стойкости; 
– радиационная технология ППП и ИС (управление электрофизическими параметрами в конце цикла их изготовления, получение качественно новых сочетаний электрических параметров полупроводниковых структур); 
– радиационная отбраковка ППП и ИС (выявление потенциально ненадежных элементов с использованием небольших потоков 
ионизирующего излучения); 
– повышение радиационной стойкости полупроводниковых 
элементов путем конструктивно-технологических решений совместно с использованием радиационной обработки до эксплуатации в радиационной среде; 
– изучение механизмов образования, кинетики накопления и 
отжига радиационных дефектов в полупроводниках и активных областях приборных структур; 
– исследование влияния радиационных дефектов на электрофизические, оптические и другие свойства полупроводников и приборных структур на их основе; 
– трансмутационное легирование и др. 
Согласно современным теоретическим представлениям, которые надежно подтверждены экспериментальными работами, независимо от вида ионизирующего излучения (быстрые нейтроны, электроны, протоны, альфа-частицы, гамма-кванты) его взаимодействие с 
полупроводниками осуществляется посредством следующих процессов: 

– ионизация атомов кристалла, обусловленная смещением 
электронов и разрывом валентных связей, т. е. кратковременная генерация неравновесных носителей заряда (электронно-дырочных 
пар) – обратимый процесс; 
– смещение атомов из узлов кристаллической решетки, т.е. 
образование простейших радиационно-структурных дефектов – пар 
Френкеля (вакансия + межузельный атом); 
– возбуждение атомов и электронов без смещения (разогрев 
кристалла); 
– генерация вторичного гамма- и рентгеновского излучения; 
– трансмутационное легирование за счет ядерных превращений. 
Необходимо указать, что начиная с некоторого уровня энергий, который определяется видом излучения, а также кристаллохимической природой полупроводника, в облучаемых образцах происходят:  
– каскадные процессы смещения атомов; 
– ядерные превращения (необратимый процесс). 
С позиций радиационной технологии микроэлектроники процесс смещения атомов из узлов кристаллической решетки наиболее 
интересен, поскольку именно он в первую очередь определяет концентрацию и свойства вторичных радиационных дефектов – радиационных центров (РЦ), образующихся в результате последующего 
взаимодействия компонент пар Френкеля с имеющимися до облучения точечными дефектами. Стабильные во времени и по температуре 
РЦ действуют в полупроводнике подобно донорам, акцепторам или 
рекомбинационным примесям, что позволяет управлять основными 
электрофизическими и даже геометрическими характеристиками активных областей неоднородной структуры и изменять в широком 
диапазоне 
параметры 
ППП 
или 
ИС 
в 
конце 
цикла 
их 
изготовления [1, 2]. 
В связи с тем, что технологический метод и аппаратура, с 
помощью которых он реализуется, должны быть одновременно эффективными, легко управляемыми, воспроизводимыми и экологически безопасными, наибольшую популярность в радиационной технологии микроэлектроники приобрел радиационно-термический процесс (РТП) с использованием пучков быстрых электронов в диапазоне энергий 1...10 МэВ, получаемых линейными ускорителями. Это 
обусловлено тем, что при энергиях менее 1 МэВ эффективность образования смещений атомов, а следовательно, и вторичных электри