Радиационные воздействия излучений на материалы электронной техники. Оксид бериллия

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации

Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. Н. Огородников, В. Ю. Иванов

Радиационные воздействия  
излучений на матеРиалы  
электРонной техники.

оксид беРиллия

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета для студентов вуза, 
обучающихся по направлениям подготовки магистров 
14.04.02 «Ядерные физика и технологии», 
12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» 
и специальности 14.05.04 «Электроника 
и автоматика физических установок

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 517.9:001.891.57(076.5)
ББК 22.1я73-5+22.3я73-5
          О-39

Рецензенты:
лаборатория квантовой химии и спектроскопии им. А. Л. Иванов- 
ского Института химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук (д-р хим. наук, зав. лаб. М. В. Кузнецов);
д-р физ.-мат. наук, гл. науч. сотр. Института физики металлов имени 
М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук 
В. И. Соколов

Научный редактор — д-р физ.-мат. наук, проф. А. В. Кружалов

О-39
Огородников, И. Н.
Радиационные воздействия излучений на материалы электронной техники. Оксид бериллия : учебное пособие / И. Н. Огородников, В. Ю. Иванов. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2019. — 320 с.
ISBN 978-5-7996-2601-3

Учебное пособие «Радиационные воздействия излучений на материалы электронной техники. Оксид бериллия» направлено на развитие у студентов навыков 
создания теоретических и математических моделей и методов расчета современных 
физических установок и устройств автоматики физических установок, приборов радиационной безопасности человека и окружающей среды, а также различных приборов биофизического и медицинского назначения.

Библиогр.: 635 назв. Табл. 31. Рис. 130.
УДК 517.9:001.891.57(076.5)
ББК 22.1я73-5+22.3я73-5

ISBN 978-5-7996-2601-3
© Уральский федеральный 
     университет, 2019

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

1. Радиационные воздействия излучения на материалы и компоненты микроэлектронной техники . . . . . . . . . . . . . .
9
1.1. Влияние радиации на материалы электронной техники .
9
1.1.1.
Вводные понятия и определения . . . . . . . . . .
9
1.1.2.
Взаимодействие фотонов с веществом . . . . . . .
11
1.1.3.
Взаимодействие нейтронов с веществом
. . . . .
13
1.1.4.
Взаимодействие электронов с веществом . . . . .
14
1.2. Радиационные эффекты в МОП-структурах
. . . . . . .
15
1.2.1.
Понятие МОП-структуры . . . . . . . . . . . . . .
15
1.2.2.
Физические процессы в структурах при облучении 17
1.2.3.
Влияние облучения на технические параметры
.
20
1.3. Радиационные эффекты в биполярных транзисторах
. .
30
1.3.1.
Эффекты полной дозы . . . . . . . . . . . . . . . .
32
1.3.2.
Эффекты мощности дозы . . . . . . . . . . . . . .
34
1.3.3.
Эффекты единичного события . . . . . . . . . . .
36
1.4. Пути повышения радиационной стойкости компонентов .
39

2. Оксид бериллия. Получение и свойства . . . . . . . . . . . .
45
2.1. Общая характеристика
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
2.2. Кристаллическая структура . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.3. Кристаллофизика и динамика решетки . . . . . . . . . .
56
2.3.1.
Динамика решетки
. . . . . . . . . . . . . . . . .
59
2.3.2.
Теплофизические свойства . . . . . . . . . . . . .
64
2.4. Методы получения BeO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
2.4.1.
Поликристаллический оксид бериллия
. . . . . .
71
2.4.2.
Методы выращивания кристаллов тугоплавких
соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
2.4.3.
Современные методы выращивания кристаллов
BeO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
2.4.4.
Реальная структура и качество кристаллов . . . .
75

3. Энергетическая структура и электронные возбуждения .
79
3.1. Квантово-химические расчеты электронной структуры
.
79
3.2. Элементарные электронные возбуждения . . . . . . . . .
88

3

Оглавление

3.2.1.
Край фундаментального поглощения BeO . . . . .
89
3.2.2.
Экситоны в кристаллах BeO . . . . . . . . . . . .
94
3.3. Спектры оптических постоянных и потерь энергии
. . . 104
3.3.1.
Характеристические потери энергии электронов . 106
3.3.2.
Плотность электронных состояний в верхней валентной зоне и остовные уровни в BeO . . . . . . 109

4. Сосуществование СЭ и АЛЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.1. Автолокализация электронных возбуждений . . . . . . . 111
4.2. Сосуществование СЭ и АЛЭ в BeO . . . . . . . . . . . . 112
4.3. Короткоживущее оптическое поглощение АЛЭ в BeO . . 123
4.4. Поляризованная люминесценция АЛЭ . . . . . . . . . . . 128
4.5. Околопримесные экситоны в BeO
. . . . . . . . . . . . . 133
4.6. Особенности автолокализации экситонов в оксидах . . . 135

5. Дефекты решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.1. Кристаллохимические аспекты дефектообразования . . . 138
5.2. Собственные и примесные точечные дефекты
. . . . . . 140
5.2.1.
Дефекты катионной подрешетки . . . . . . . . . . 141
5.2.2.
Дефекты анионной подрешетки
. . . . . . . . . . 149
5.3. Комплексные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1.
Дивакансионные дефекты . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.2.
Примесные ионы внедрения
. . . . . . . . . . . . 155
5.3.3.
Моделирование поведения внедренных ионов в монокристаллах оксида бериллия . . . . . . . . . . . 161

6. Оптические переходы и электронная структура дефектов 165
6.1. Оптические переходы в точечных дефектах . . . . . . . . 165
6.1.1.
Оптические переходы в дефектах катионной подрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.2.
Оптические переходы в дефектах анионной подрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2. Люминесценция точечных дефектов . . . . . . . . . . . . 174
6.2.1.
Люминесценция F- и F+-центров
. . . . . . . . . 175
6.2.2.
Люминесценция примесных дефектов . . . . . . . 179
6.2.3.
Оптическая активность комплексных дефектов
. 180
6.3. Электронная структура дефектов . . . . . . . . . . . . . . 182
6.3.1.
B2+-, Al2+-, Zn+-, [Li]0-центры . . . . . . . . . . . 183
6.3.2.
F- и F+-центры окраски
. . . . . . . . . . . . . . 187

4

Оглавление

7. Накопление, отжиг и трансформация дефектов . . . . . . . 189
7.1. Биографические дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.1.1.
ТСЛ и неизотермическая релаксация парамагнитных центров (80–700 K) . . . . . . . . . . . . . 190
7.1.2.
Низкотемпературная ТСЛ (6–300 K) . . . . . . . . 200
7.1.3.
Термоактивационные рекомбинационные процессы при подпороговом возбуждении
. . . . . . . . 201
7.2. Накопление радиационных дефектов
. . . . . . . . . . . 206
7.2.1.
Радиационное дефектообразование в BeO при облучении нейтронами . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.2.2.
Расчет пороговой энергии смещения атомов . . . 210
7.2.3.
Образование стабильных френкелевских пар дефектов BeO в широком диапазоне флюенсов . . . 211
7.3. Отжиг и трансформация радиационных дефектов . . . . 215
7.3.1.
Механизмы отжига дыpочных центpов . . . . . . 215
7.3.2.
Эффекты отжига дефектов в спектрах ЭПР кристаллов, облученных флюенсом 1020 см−2 . . . . . 218
7.3.3.
Трансформация оптически активных центров
. . 221

8. Флуктуационное разупорядочение BeO
. . . . . . . . . . . . 225
8.1. Флуктуационная перестройка и особенности динамики
решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.1.1.
Спонтанная эмиссия электронов и фотонов . . . . 226
8.1.2.
Возможные кооперативные процессы в оксиде бериллия
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.2. Спонтанная эмиссия BeO и флуктуационная перестройка 234
8.2.1.
Модельные представления метода ФТВ . . . . . . 235
8.2.2.
Свидетельства перераспределения электронных возбуждений между конкурирующими каналами релаксации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.2.3.
Модель флуктуационной перестройки структуры
241
8.3. Особенности ТСЛ в области трансформации АЛЭ . . . . 247
8.3.1.
Модельные представления о ФПС в области трансформации АЛЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.3.2.
Проявление ФПС в области низких температур . 251

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Список библиографических ссылок . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Предметно-именной указатель
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

5

Оглавление

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
А. Электронное строение оксида бериллия . . . . . . . . . . . 309
Б. Точечные дефекты оксида бериллия . . . . . . . . . . . . . 312
В. Электронная структура точечных дефектов . . . . . . . . . 315
Г. Температурные границы проявления «аномалий» в BeO . . 317

6

Предисловие

Предлагаемое учебное пособие основано на семестровом курсе лекций по дисциплине «Радиационные воздействия ионизирующих излучений на электронные компоненты, приборы и комплексы электронной техники», которая в течение нескольких лет читается авторами для студентов физико-технологического института, обучающихся
по направлениям подготовки «Ядерные физика и технологии», «Биотехнические системы и технологии» и специальности «Электроника
и автоматика физических установок». Пособие может быть также полезно студентам родственных направлений и специальностей физикотехнологического профиля.
Лекционный курс опирается на стандартный блок естественнонаучных дисциплин, с которым студенты физико-технологического института знакомятся на более ранних этапах подготовки. Поэтому при
подготовке учебного пособия и подборе материалов к нему авторы
полагают, что читатель уже знаком (в объеме программы технического вуза) с основами следующих дисциплин: квантовая механика,
атомная и ядерная физика, физика твердого тела, физические основы
полупроводниковой электроники.
Учебное пособие состоит из нескольких взаимодополняющих глав.
Глава 1 посвящена обсуждению радиационных воздействий на компоненты микроэлектроники.
В начале главы приведен краткий обзор физических процессов,
происходящих при взаимодействии фотонных и корпускулярных излучений с материальной средой. В качестве примеров материальной
среды здесь рассматриваются типичные материалы, являющиеся основой кремниевой микроэлектроники: полупроводник (Si) и диэлектрик
в виде диоксида кремния (SiO2).
Основной материал первой главы касается обсуждения последствий радиационных воздействий на базовые элементы современной
микроэлектроники — структуры типа металл–оксид–полупроводник
(МОП-структуры) и биполярные транзисторы (БТ). Дан анализ публикаций, представленных преимущественно в зарубежных изданиях.
В завершении первой главы обсуждаются наиболее перспективные
направления повышения радиационной стойкости компонентов микроэлектронной техники, отмечается важность повышения радиационной
стойкости оксидного диэлектрика, используемого в качестве изолирующего материала в микроэлектронных компонентах. Повышение ра
7

Предисловие

диационной стойкости изолирующего материала возможно двумя путями: за счет улучшения радиационно-физических свойств исходного диоксида кремния, чему посвящены многочисленные публикации,
и за счет использования другого подходящего бинарного оксида с более высокой радиационной стойкостью. В рамках второго пути рассматриваются две возможности: применение технологии «кремний-насапфире» (исследованию оксида алюминия (сапфир) посвящены многочисленные публикации, выявляющие достоинства и вскрывающие
потенциальные недостатки технологии), а также использование оксида бериллия в виде легкой, радиационно-стойкой керамики [1–3] или
наноразмерных квантовых структур [4–6].
Идея использования BeO-керамики в компонентах микроэлектронной техники была высказана более четверти века тому назад (например, см. [7–14]), но сам материал – оксид бериллия – оставался
недостаточно изученным для подобных практических применений. Основное направление исследований BeO долгое время лежало в другой
плоскости и было связано с изучением возможности практических
применений BeO в качестве тканеэквивалентного радиационного детектора (термолюминесцентного дозиметра — ТЛД [15–17], чувствительного радиационного детектора на основе явления термостимулированной экзоэлектронной эмиссии [18], ТЛД в системе персональной
дозиметрии [19, 20]), электроизоляционного материала с повышенной
теплопроводимостью [21], радиационно-стойкого материала для ядерного реакторостроения [22] и лазерных технологий [23–26].
Положение кардинально изменилось с разработкой в конце 70-х гг.
прошлого века отечественной технологии выращивания объемных монокристаллов BeO оптического качества. Используя отечественные
монокристаллы оксида бериллия, выращенные В. А. Масловым, научная группа уральских ученых под руководством А. В. Кружалова выполнила пионерские исследования динамики электронных возбуждений, люминесценции и радиационного дефектообразования. Авторы
настоящего учебного пособия в течение многих лет принимали непосредственное участие в этих исследованиях. Промежуточные результаты исследований сотрудников научной группы были в разное время подытожены в многочисленных диссертационных работах [27–40]
и опубликованы в нескольких тематических обзорах [41–49]. Многие
из этих публикаций стали уже библиографической редкостью. Кроме
того, появились новые данные, которые потребовали осмысления. Главы 2–8 содержат лишь часть известных данных по BeO, выбранных
в русле заявленной темы учебного пособия.

8

1. Радиационные воздействия излучения на материалы
и компоненты микроэлектронной техники

Современная микроэлектроника используется, пожалуй, во всех
областях предметной деятельности человека. В некоторых из них (например, в освоении космического пространства) микроэлектроника
в процессе эксплуатации может длительное время подвергаться воздействию фотонных и корпускулярных излучений различного вида.
При современной технологической норме (менее 100 нм) такое воздействие может приводить к ряду совершенно нежелательных последствий, которые объединяют общим названием — радиационные эффекты в электрических цепях. Первые исследования радиационных
эффектов в материалах электронной техники начались еще в прошлом
веке в связи с исследованиями возможности создания микроэлектронной техники, способной функционировать в космическом пространстве (например, в радиационном поясе планеты), а также минимизировать воздействие последствий ядерного взрыва на компоненты электронной техники. Изучение механизмов возникновения этих эффектов
необходимо для создания радиационно-стойкой электроники, надежно
работающей в «экстремальных» условиях [50–53].

1.1.
Влияние радиации на материалы электронной техники

1.1.1.
Вводные понятия и определения

Прохождение излучения через материальную среду сопровождается различными реакциями взаимодействия излучения и элементов материальной среды: рассеянием, поглощением, делением и т. п. С точки
зрения рассматриваемой предметной области наиболее значимой представляется группа явлений с условным названием «реакция поглощения». В результате этой реакции в электронных цепях может происходить образование нежелательных радиационных эффектов, которые принято классифицировать на необратимые, частично обратимые
и полностью обратимые эффекты.
В процессах взаимодействия различных видов излучения с материальной средой (в т. ч. по степени сложности таких взаимодействий)
имеют место существенные отличия. Однако с точки зрения физики
конденсированного состояния можно ограничиться обсуждением толь
9

1. Радиационные воздействия излучения на материалы и компоненты

ко двух основных универсальных физических механизмов, которые
обусловливают практически все наблюдаемые повреждения рабочего
вещества компонентов электронной техники [54–58].
Ионизационный механизм соответствует возбуждению электронной подсистемы, когда поглощение энергии материальной средой (полупроводник или изолирующий слой) приводит к образованию свободных зарядов. Возбуждение электронной подсистемы возможно как
фотонным (рентгеновское или гамма-излучение), так и корпускулярным (нейтроны или заряженные частицы) излучениями. Разделенные
электроны и дырки могут мигрировать до тех пор, пока они не будут
локализованы на тех или иных центрах захвата. Локализация носителей заряда способствует накоплению заряда в локальной области и созданию дополнительных (нежелательных, паразитных) электрических
полей. Электронные компоненты, принцип работы которых основан на
поверхностной проводимости (например, МОП-транзисторы), являются наиболее уязвимыми к повреждению посредством ионизационного
механизма.
Ударный механизм соответствует возбуждению ионной подсистемы, когда поглощение энергии материальной средой приводит к «вытеснению» атома из регулярного узла кристаллической решетки. Возникновение при этом радиационного дефекта изменяет электронные
свойства кристалла. В компонентах электронной техники ударный механизм проявляется преимущественно при воздействии быстрых нейтронов. Однако заряженные частицы (например, вторичные электроны
при комптоновском эффекте) также могут вызывать создание радиационных дефектов по ударному механизму. Электронные компоненты,
принцип работы которых основан на объемной проводимости (например, биполярные транзисторы и диоды), являются наиболее уязвимыми к повреждению посредством ударного механизма.
Каждый вид ионизирующего излучения вызывает какой-то один
доминирующий радиационный эффект в материальной среде. Табл. 1.1
подытоживает известные данные для самого популярного кремниевого
полупроводника.
В дополнение к обсуждаемым физическим явлениям при описании
радиационных воздействий ионизирующего излучения на компоненты
электронной техники используют два новых понятия [54–58].
1. Эффект полной дозы (англ. total dose effect, TDE) – эффект,
проявляющийся при постепенном возрастании количества захваченных дырок и электронов в изолирующем слое полупроводника или
увеличении концентрации дефектов в объеме устройства. Данные радиационные эффекты возникают при длительном облучении и имеют

10