Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Влияние нейтронного облучения на свойства нитевидных микрокристаллов n-InSb + + й И.А. Большакова, В.М. Бойко, В.Н. Брудный, И.В. Каменская, Н.Г. Колин, Е.Ю. Макидо, Т.А. Московец, Д.И. Меркурисов+ Львовский политехнический национальный университет, 290013 Львов, Украина + Филиал ФГУП Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, 249033 Обнинск, Россия Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете, 634050 Томск, Россия (Получена 3 ноября 2004 г. Принята к печати 25 ноября 2004 г.) Представлены результаты исследований изменения свойств сенсоров магнитного поля на основе нитевидных микрокристаллов n+-InSb в процессе облучения быстрыми нейтронами реактора ИБР-2. Оценена оптимальная концентрация свободных электронов n (6-7) 1017 см-3 в InSb, которая обеспечивает максимальную радиационную стойкость сенсоров. Определен раздельный вклад двух конкурирующих процессов в изменение электрофизических свойств InSb при нейтронном облучении: трансмутационного легирования InSb мелкой донорной примесью Sn и компенсации исходной проводимости n+-InSb вследствие генерации глубоких радиационных дефектов акцепторного типа.

1. Введение на основе InSb, работающих в условиях воздействия жесткого облучения.

Сенсоры магнитного поля на основе полупроводниковых материалов используются для картографирования магнитных полей, в том числе в условиях воздействия 2. Методика эксперимента жесткой радиации в ускорителях заряженных частиц, на объектах атомной энергетики, в бортовых системах В настоящей работе проведено исследование влиякосмических аппаратов и т. д. Это выдвигает требования облучения реакторными нейтронами на параметние высокой устойчивости и долговременной стабильры материала и сенсоров магнитного поля на основе ности выходных характеристик чувствительных элеменнитевидных микрокристаллов n-InSb в зависимости от тов сенсоров при воздействии высокоэнергетической уровня их исходного легирования. Нитевидные образцы радиации [1]. Основная характеристика сенсора Ч его n-InSb, полученные методом свободной кристаллизации чувствительность K = Uout/B (Uout Чвыходное напряиз газовой фазы [6], легировались в процессе выражение, B Ч индукция магнитного поля) Ч связана с щивания несколькими примесями одновременно: Sn, Al электрофизическими параметрами материала. При этом и Cr. Основная донорная примесь (Sn) обеспечивав условиях облучения малыми дозами высокоэнергетила необходимую концентрацию свободных электронов ческой радиации основной вклад в изменение величи(n0), а добавки Al и Cr использовались для повышены K вносит изменение концентрации носителей заряда ния стабильности характеристик материала в условив материале. Поэтому для обеспечения стабильности выях радиационного воздействия. Предполагается, что Al ходных параметров сенсоров магнитного поля необходии Cr, вызывая деформацию кристаллической решетки мо по возможности обеспечить минимальное изменение InSb [7], создают дополнительные стоки для подвижных концентрации свободных носителей в полупроводнике во время облучения РД, что должно повышать устойпод воздействием жесткой радиации.

чивость материала к воздействию жесткой радиации.

Среди полупроводников групп IV и IIIЦV соединение Уровень легирования исходного материала изменялся InSb привлекает особое внимание для производства в пределах n0 = 3 1016-1 1018 см-3, величина холловчувствительных элементов сенсоров вследствие высокой ской подвижности в пределах 52400-22300 см2/В с подвижности свободных электронов. Однако использопри 290 K. Размеры исследуемых образцов составляли вание таких датчиков в полях высокоэнергетической 0.7 0.07 0.03 мм3. Следует отметить, что данные радиации приводит к формированию в кристаллической по облучению сильно легированных образцов n-InSb решетке InSb радиационных дефектов (РД) донорной реакторными нейтронами в литературе отсутствуют.

и акцепторной природы, что вызывает изменение конОблучение нейтронами проводилось на импульсцентрации носителей заряда, иx подвижности, времени ном реакторе ИБР-2 Лаборатории нейтронной фижизни [2Ц5]. Все это является причиной нестабильнозики Объединенного института ядерных исследовасти выходных параметров сенсоров магнитного поля ний (г. Дубна, Россия). Флюенс быстрых нейтро E-mail: inessa@mail.lviv.ua нов (энергия электронов E > 0.1МэВ) достигал веE-mail: ngkolin@mail333.com E-mail: brudnyi@ic.tsu.ru личины Ff n = 3.1 1016 см-2 при плотности потока Влияние нейтронного облучения на свойства нитевидных микрокристаллов n-InSb Рис. 1. Схема измерительной уствновки MMSI: (HG1ЦHG6) Ч исследуемые образцы, ST Ч стабилизатор напряжения, СН и СС Ч источники тока, OS Ч формирователь опорного напряжения, ID Ч входной усилитель, DC Ч дешифратор команд, ASTL 1, ASTL 2 Ч линии передачи сигналов.

= 9 109 см-2 с-1 и средней энергии нейтронов ре- техническом помещении на расстоянии 10 метров от актора E 1.35 МэВ. Особенность настоящего экспери- канала реактора, размещался основной блок измеримента состоит в том, что параметры сенсоров измеря- тельной аппаратуры Ч System_unit. В третьей зоне, лись непосредственно в процессе облучения в канале ре- помещении для работы персонала на расстоянии метров от канала реактора, были размещены измериактора, что повышало точность дозовых измерений при тельный вольтметр, интерфейсный блок и персональный использовании одного и того же образца и сокращало компьютер. Запись результатов измерений, как и коррекпродолжительность эксперимента [1,8Ц10].

Исследуемые образцы располагались в зазоре меж- ция функций измерительной аппаратуры, проводились ду полюсами постоянного магнита на основе SmCo5 в автоматическом режиме, число измерений достигало 3 106 [12].

(B = 290 мТл), который размещался в горизонтальном канале реактора. Измерения проводились дистанционно с использованием автоматизированной помехоустойчи3. Экспериментальные результаты вой прецизионной измерительной системы, разработанной и изготовленной в Лаборатории магнитных сенсоров На рис. 2 представлены зависимости относительноНационального университета ДЛьвовская ПолитехникаУ го изменения K/K коэффициента чувствительности (г. Львов, Украина). Данная система обеспечивала изсенсоров магнитного поля, параметры которых предмерения относительных изменений электрофизических ставлены в таблице. В указанном диапазоне флюенпараметров образцов с точностью до 0.01%, контроля сов нейтронов Ff n наблюдаются практически линейные температуры в зоне расположения образцов с точностью изменения K/K для всех исследованных в работе до 0.1C, а также измерение индукции магнитного образцов. В зависимости от исходного уровня легиполя, создаваемого размещенным в канале реактора рования n-InSb отмечены как положительные значения постоянным магнитом на основе SmCo5, с точностью величины K/K, так и отрицательные значения. При до 0.1% [11]. Блок-схема установки для измерения пара- этом для образца 2 (n0 = 6 1017 см-3) изменение K/K метров сенсоров магнитного поля во время облучения не превышет 0.05% при облучении флюенсом быстрых представлена на рис. 1. Исследуемые образцы, посто- нейтронов Ff n = 1.7 1015 см-2 и не более 1% при янный магнит и измерительная аппаратура простран- флюенсе нейтронов до 3 1016 см-2. Это означает, что ственно были размещены в трех зонах. В первой зоне, среди исследуемых образцов при облучении в указанных зоне реактора, размещался блок постоянного магнита с условиях образец 2 обладает наиболее высокой радиациисследуемыми образцами Ч M_unit. Во второй зоне, онной стойкостью.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 816 И.А. Большакова, В.М. Бойко, В.Н. Брудный, И.В. Каменская, Н.Г. Колин, Е.Ю. Макидо...

Параметры холловских сенсоров на основе нитевидных кри(NRA - NRD) равно 1.5 10-18 см2. Выбором исходсталлов n-InSb при 295 K ного уровня легирования можно обеспечить n, что будет соответствовать n/ Ff n 0. Именно добавочное №образца легирование оловом приводит к этой ситуации при обПараметры 1 2 лучении n-InSb реакторными нейтронами. При этом конкретная критическая концентрация n, обеспечивающая Концентрация носителей 8 1016 6 1017 1 n/ Ff n 0, зависит от спектра реакторных нейтронов заряда n0, см-в зоне облучения.

Магнитная чувствительность 40 14 Полученные ранее результаты [13] по облучению при номинальном токе K, мВ/Тл образцов InSb большими флюенсами полного спектра Номинальный ток I, мА 30 40 реакторных нейтронов с целью ядерного легирования Входное сопротивление Rin, Ом 5.0 2.3 1.свидетельствуют о том, что основная часть вводимой в материал примеси (в данном случае Sn) находится в Выходное сопротивление Rout, Ом 2.0 1.8 1.электрически активном состоянии сразу после облучеОстаточное напряжение 0.07 0.03 0.ния (без последующих термообработок), что в большей при номинальном токе U0, мВ степени определяет основные электрофизические харакРабочий диапазон 4.2-350 4.2-350 4.2-температуры T, K На рис. 3 представлены зависимости скорости изменения концентрации носителей заряда при облучении быстрыми нейтронами ( n/ Ff n) в микрокристаллах n-InSb от исходной концентрации носителей заряда в облученных образцах (n0) для потоков нейтронов 1.7 1015 и 3 1016 см-2. Как видно из рис. 3, наблюдается практически линейная зависимость скорости удаления носителей заряда от концентрации носителей заряда в облученном n-InSb. Для количественного объяснения физических процессов, протекающих в InSb при облучении реакторными нейтронами, необходимо Рис. 2. Дозовые зависимости относительного изменения чувствительности K/K сенсоров магнитного поля на основе учитывать два основных фактора: 1) образование радинитевидных микрокристаллов n-InSb (образцы 1, 2, 3 Ч см.

ационных дефектов в материале под действием быстрых таблицу) при нейтронном облучении. Температура измеренейтронов, атомов отдачи и -составляющей излучения ния 290 K.

реактора; 2) образование атомов легирующих примесей ( 98% Sn) за счет ядерных реакций, протекающих при взаимодействии тепловых и промежуточных нейтронов с атомами основного вещества.

Как известно, образование атомов Sn в InSb зависит от параметров реактора, флюенса нейтронов и не зависит от концентрации носителей заряда в исходном материале. Коэффициент легирования InSb оловом при нейтронном облучении может быть оценен из выражения = NIn, где Ч сечение образования атомов Sn при нейтронном облучении, NIn Ч концентрация атомов In в InSb. При малых дозах нейтронов скорость изменения концентрации носителей заряда в облученных образцах InSb может быть представлена линейной зависимостью вида n/ Ff n - n, (1) Рис. 3. Зависимость скорости изменения концентрации ногде Ч сечение образования радиационных дефектов сителей заряда ( n/ Ff n) в микрокристаллах n-InSb от ис(NRA - NRD), NRD (NRA) Ч концентрация радиационных ходной концентрации носителей заряда в образцах, облучендоноров (акцепторов); n Ч концентрация носителей ных быстрыми нейтронами. a Ч образцы 1, 2, 3 (таблица) заряда в облученном материале. Из рис. 3 следует, после облучения флюенсом быстрых нейтронов 3 1016 см-2.

что для микрокристаллических образцов InSb (при b Ч дополнительные образцы (не указаны в таблице) после 295 K) сечение образования радиационных дефектов облучения флюенсом быстрых нейтронов 1.7 1015 см-2.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние нейтронного облучения на свойства нитевидных микрокристаллов n-InSb составляет 0.9см-1, что достаточно хорошо согласуется с расчетной величиной, полученной из анализа спектра реактора ИБР-2. Все это позволяет оценить концентрацию вводимой в InSb примеси олова за счет ядерных реакций на атомах In [16,17Ц20].

Следует отметить, что, несмотря на значительный объем экспериментальных данных по исследованию РД в InSb, информация об изменении электрофизических свойств данного материала при радиационном воздействии весьма противоречива, а в случае сильно легированного InSb такая информация практически отсутствует. В соответствии с опубликованными данными параметры облученного InSb в сильной степени зависят от условий облучения Ч типа бомбардирующих частиц, Рис. 4. Зависимости дифференциальной плотности нейтронов их энергии и температуры образца во время облучения.

(E) и величины E(E) от энергии нейтронов для реактора Так, бомбардировка InSb быстрыми нейтронами, протоИБР-2.

нами или электронами высоких энергий (десятки МэВ) независимо от температуры облучения всегда дает материал n-типа проводимости [21Ц24]. В то же время облутеристики облученных образцов. При этом даже облучечение электронами с энергиями менее 10 МэВ при темние InSb в Cd-пенале [10] не приводит к полному устрапературах T 200 K формирует материал p-типа пронению эффекта ядерного легирования. С целью оценки водимости, а в случае аналогичного облучения вблизи величины было проведено определение плотностей комнатных температур получают n-InSb или p-InSb в запотоков медленных и промежуточных нейтронов в нейвисимостиот дозы облучения и температурной области тронном спектре импульсного реактора ИБР-2 с учетом измерения параметров облученных образцов [21,25Ц28].

экспериментальных данных, полученных с использоваТакое поведение InSb при высокоэнергетическом радинием датчиков для нейтронов с энергией E > 0.4МэВ ационном воздействии связывается как с характером по методике, описанной в [14]. Исходя из того, что доминирующих по концентрации РД, так и с низкой доля промежуточных нейтронов (E = 0.5эВЦ0.1 МэВ) термической стабильностью радиационных дефектов в составляет 20% от флюенса быстрых нейтронов [15] и (E = 0.1МэВ) =3 109 см-2 с-1 МэВ-1 данном соединении. Высказаны предположения о том, что в области низких температур доминируют дефекты = 3 103 см-2 с-1 эВ-1, получено описание для спекакцепторного типа, а с повышением температуры обтра промежуточных нейтронов (проведена сшивка при разца накапливаются преимущественно РД донорного 0.1 МэВ и подобран показатель степени Ч E-0.89):

типа. Предположительно, это приводит к смещению (E) =epidE/E0.89, уровня Ферми из нижней половины запрещенной зоны в верхнюю и соответственно к смене типа проводимости epi = 0.84 108 см-2 с-1 эВ-0.11.

облученного материала при повышении температуры.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам