董 磊

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

空間帶電粒子會對航天器上的材料、電子元器件造成嚴(yán)重的輻射損傷[1].輻射環(huán)境下硅材料的可靠性高低直接關(guān)系到半導(dǎo)體器件和電子系統(tǒng)的正常工作.系統(tǒng)研究空間帶電粒子輻照下硅材料的電學(xué)性能變化及其缺陷演化規(guī)律，進(jìn)一步提高其抗輻照性能、對半導(dǎo)體器件的抗輻加固具有十分重要的工程實際意義.

國內(nèi)外已有研究表明，Watkins[2]等學(xué)者分析中子輻照在硅晶體中產(chǎn)生的損傷缺陷，發(fā)現(xiàn)輻照會使晶格原子向間隙位置移動，在硅中引入大量的空位、間隙原子、空位團(tuán)等復(fù)合體，抑制硅片表面氧化層錯的形成.劉昌龍[3]等學(xué)者研究離子輻照下單晶硅的輻照效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在單晶硅中產(chǎn)生雙空位、中性四空位以及大的空位團(tuán)或間隙子團(tuán)；Varichenko[4-5]等學(xué)者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)離子輻照產(chǎn)生的缺陷可以分布到遠(yuǎn)大于離子射程的區(qū)域，并且這些缺陷的數(shù)量隨輻照劑量增大而增加，雙空位的產(chǎn)生在一定照射劑量下會趨向飽和.李養(yǎng)賢[6]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)快中子輻照對單晶硅電學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，所引入的電活性缺陷使硅的電阻率發(fā)生巨大變化，并使硅中氧沉淀的速度明顯加快.

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于中子、離子、快中子輻照在單晶硅中引起的缺陷種類、輻射損傷機理等研究都有很大的突破，而關(guān)于電子輻照下硅材料的缺陷演化及輻射損傷機理方面研究較少，沒有明確的結(jié)論.為此，該文研究直拉硅在電子輻照條件下的缺陷演化規(guī)律及其對電學(xué)性能的影響，旨在為進(jìn)一步提高器件的抗輻射性能、尋求合理有效的器件抗輻射加固途徑提供實驗依據(jù)和理論指導(dǎo).

1 試驗器件與試驗方法

該文所用樣品為沿<100>晶向生長的直拉單晶硅片(CZ-Si)，樣品尺寸為1 cm×1 cm，其中N型硅片厚度為450 μm，摻雜濃度為1×1017cm-3，P型硅片厚度為375 μm，摻雜濃度為1×1019cm-3.兩種類型硅片電阻值均小于0.05 Ω.

該文選取150 keV電子進(jìn)行輻照試驗，輻照注量分別為5×1014cm-2、1×1015cm-2和5×1015cm-2.進(jìn)行實驗前，在直拉硅材料表面鍍電極，采用Magna IR560型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析.使用KEITHLEY 4200-SCS型半導(dǎo)體參數(shù)儀探究電子輻照對直拉硅電學(xué)性能的影響.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 FTIR測試分析

傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)是快速、無損檢測半導(dǎo)體材料的理想手段.在能量為150 keV、不同注量的電子輻照下，P型直拉硅中各缺陷紅外吸收峰強度的變化曲線如圖1所示.由圖1可見，與未輻照樣片相比，輻照后樣片的紅外光譜圖上出現(xiàn)吸收峰.此外，隨著電子輻照注量的增加，相應(yīng)的缺陷吸收峰強度也不斷增強，說明電子輻照注量增加促使輻照缺陷濃度不斷升高.Londos C A[7]等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在700～1000nm的波長范圍內(nèi)出現(xiàn)的吸收峰是由于A中心引起的局域模振動，對應(yīng)著VnOm復(fù)合體.研究表明，電子輻照在硅中引入的輻照缺陷，會在禁帶中形成新的能級，呈施主態(tài)、受主態(tài)或中性態(tài)，可作為主要的電子陷阱和有效的復(fù)合中心，對直拉硅單晶的電阻率及載流子濃度等電學(xué)性能產(chǎn)生影響[8].

不同注量的150 keV電子輻照下N型直拉硅中微觀缺陷紅外吸收峰強度的變化曲線如圖2所示，所得結(jié)論與P型直拉硅結(jié)果類似.同樣在波長700～1000 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收峰，對應(yīng)VnOm復(fù)合體，輻照注量越大，在直拉硅內(nèi)產(chǎn)生的缺陷濃度越高.

圖1 150 keV電子輻照下P型直拉硅的紅外吸收譜 圖2 150 keV電子輻照下N型直拉硅的紅外吸收譜

2.2 電學(xué)參數(shù)測試分析

為深入分析低能電子輻照對直拉硅電學(xué)性能的影響，該文分別測試了P型和N型直拉硅的薄膜方塊電阻和電阻率.圖3(a) 和(b)分別為150 keV電子輻照下P型直拉硅的薄膜方塊電阻與薄膜電阻率隨輻照注量變化的關(guān)系曲線.如圖3所示，隨著電子輻照注量的增加P型直拉硅的薄膜方塊電阻與薄膜電阻率都先逐漸升高后趨于飽和.已有研究表明，輻照缺陷對直拉硅電學(xué)性能的影響與其引入輻照缺陷密度有關(guān)，進(jìn)而影響直拉硅中載流子濃度的變化[9].圖3中曲線變化主要是由于P型直拉硅中多子為空穴，電子輻照過程中在P型直拉硅樣品打入電子，直拉硅中空穴和電子相互抵消，從而使直拉硅中的多子濃度降低，導(dǎo)致薄膜方塊電阻和薄膜電阻率升高.而隨著輻照注量增加，在直拉硅中引入的受主態(tài)VnOm復(fù)合體缺陷濃度升高，導(dǎo)致多子濃度升高，從而薄膜方塊電阻和薄膜電阻率降低.因此，薄膜方塊電阻和薄膜電阻率逐漸趨于飽和.

(a) 薄膜方塊電阻 (b) 薄膜電阻率隨電子注量變化的關(guān)系曲線圖3 150 keV電子輻照下P型直拉硅

圖4 (a) 和(b)分別為150 keV電子輻照下，N型直拉硅的薄膜方塊電阻與薄膜電阻率隨電子輻照注量的變化曲線.如圖4所示，150 keV電子輻照下，隨著輻照注量的增加，N型直拉硅的薄膜方塊電阻與薄膜電阻率均先降低后趨于飽和.這主要是由于N型直拉硅中多子為電子，而在電子輻照過程中在N型直拉硅樣品打入電子，使直拉硅中的多子濃度增高，導(dǎo)致薄膜方塊電阻和薄膜電阻率降低.而隨著輻照注量增加，在直拉硅中引入的受主態(tài)VnOm復(fù)合體缺陷濃度升高，作為電子陷阱在N型Si中起到雜質(zhì)補償作用，導(dǎo)致多子濃度降低，從而薄膜方塊電阻和薄膜電阻率升高.因此，薄膜方塊電阻和薄膜電阻率逐漸趨于飽和.

(a)薄膜方塊電阻 (b)薄膜電阻率隨電子輻照注量變化的關(guān)系曲線圖4 在150 keV電子輻照下N型低阻直拉硅

3 結(jié)論

該文研究150 keV電子輻照下直拉硅中輻照損傷缺陷及其電學(xué)性能的演化規(guī)律.紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，電子輻照在直拉硅中引入VnOm復(fù)合體，且隨輻照注量的增加，輻照缺陷濃度逐漸升高.電學(xué)性能測試結(jié)果表明，隨電子輻照注量的增大，P型直拉硅薄膜方塊電阻和薄膜電阻率逐漸升高并趨于飽和，而N型直拉硅薄膜方塊電阻和薄膜電阻率逐漸降低并趨于飽和，這主要是由電子輻照的載流子注入效應(yīng)和輻照損傷微觀缺陷的受主補償效應(yīng)共同作用的結(jié)果.

參 考 文 獻(xiàn)

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