Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент
При облучении полупроводниковых кристаллов мощными (сильноточными) импульсными электронными пучками высоких энергий обнаружен новый вид отжига, названный авторами ионизационным. В данной статье описаны экспериментальные исследования, подтверждающие сделанное ранее теоретическое обоснование....
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100466 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент / А.С. Гаркавенко, В.А. Мокрицкий, О.В. Банзак, В.А. Завадский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 51-56. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-100466 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1004662016-05-23T03:02:10Z Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент Гаркавенко, А.С. Мокрицкий, В.А. Банзак, О.В. Завадский, В.А. Материалы электроники При облучении полупроводниковых кристаллов мощными (сильноточными) импульсными электронными пучками высоких энергий обнаружен новый вид отжига, названный авторами ионизационным. В данной статье описаны экспериментальные исследования, подтверждающие сделанное ранее теоретическое обоснование. При опроміненні напівпровідникових кристалів потужними (сильнострумовими) імпульсними електронними пучками високих енергій виявлено новий вид відпалу, названий авторами іонізаційним. У цій статті наведено результати експериментальних досліджень, які підтверджують зроблене раніше теоретичне обгрунтування. There is a conception that irradiation of semiconductor crystals with high energy electrons (300 keV) results in a significant and irreversible deterioration of their electrical, optical and structural properties. This article describes an experimental study on the influence of high-current pulsed electron beams on the optical homogeneity of semiconductor GaAs and CdS crystals, confirming the theory put forward earlier. 2014 Article Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент / А.С. Гаркавенко, В.А. Мокрицкий, О.В. Банзак, В.А. Завадский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 51-56. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2014.2.51 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100466 535.14:621.365.826 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Материалы электроники Материалы электроники |
| spellingShingle |
Материалы электроники Материалы электроники Гаркавенко, А.С. Мокрицкий, В.А. Банзак, О.В. Завадский, В.А. Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
При облучении полупроводниковых кристаллов мощными (сильноточными) импульсными электронными пучками высоких энергий обнаружен новый вид отжига, названный авторами ионизационным. В данной статье описаны экспериментальные исследования, подтверждающие сделанное ранее теоретическое обоснование. |
| format |
Article |
| author |
Гаркавенко, А.С. Мокрицкий, В.А. Банзак, О.В. Завадский, В.А. |
| author_facet |
Гаркавенко, А.С. Мокрицкий, В.А. Банзак, О.В. Завадский, В.А. |
| author_sort |
Гаркавенко, А.С. |
| title |
Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент |
| title_short |
Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент |
| title_full |
Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент |
| title_fullStr |
Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент |
| title_full_unstemmed |
Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент |
| title_sort |
ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. часть вторая: эксперимент |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Материалы электроники |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100466 |
| citation_txt |
Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая: эксперимент / А.С. Гаркавенко, В.А. Мокрицкий, О.В. Банзак, В.А. Завадский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 51-56. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT garkavenkoas ionizacionnyjotžigpoluprovodnikovyhkristallovčastʹvtoraâéksperiment AT mokrickijva ionizacionnyjotžigpoluprovodnikovyhkristallovčastʹvtoraâéksperiment AT banzakov ionizacionnyjotžigpoluprovodnikovyhkristallovčastʹvtoraâéksperiment AT zavadskijva ionizacionnyjotžigpoluprovodnikovyhkristallovčastʹvtoraâéksperiment |
| first_indexed |
2025-07-07T08:51:36Z |
| last_indexed |
2025-07-07T08:51:36Z |
| _version_ |
1836977537619591168 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6
51
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ISSN 2225-5818
ÓÄÊ 535.14:621.365.826
Д. ф.-м. н. А. С. ГАРКАВЕНКО1, д. т. н. В. А. МОКРИЦКИЙ2,
к. т. н. О. В. БАНЗАК3, к. т. н. В. А. ЗАВАДСКИЙ4
1Германия, г. Корнвестхайм, Фирма «Гайстескрафт»;
Украина, 2Одесский национальный политехнический университет; 3Одесская национальная
академия связи имени А.С. Попова; 4Одесская национальная морская академия
E-mail: garks@arcor.de; mokrickiy@mail.ru
ИОНИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
КРИСТАЛЛОВ. ЧАСТЬ ВТОРАЯ: ЭКСПЕРИМЕНТ
До проведения исследований [1—3] существо-
вало общепринятое представление, что облучение
полупроводниковых кристаллов электронами вы-
соких энергий (более 300 кэВ) приводит к значи-
тельному и необратимому ухудшению их электро-
физических, оптических и структурных свойств
[4, 5]. Действительно, в результате такого облу-
чения в структуре полупроводниковых кристал-
лов возникают дефекты, которые в запрещенной
зоне образуют ряд новых глубоких уровней и в
свою очередь захватывают равновесные и нерав-
новесные носители заряда. Вследствие этого кон-
центрация и подвижность носителей уменьшаются,
увеличивается сопротивление материала, умень-
шается квантовый выход излучательной реком-
бинации. Для облучения полупроводников обыч-
но используются слаботочные ускорители элек-
тронов с непрерывным потоком, плотность тока
в которых составляет 10–5—10–6 А/см2, энергия
0,3—1 МэВ. Все изменения свойств после тако-
го облучения сохраняются при комнатной темпе-
ратуре, а заметное восстановление свойств до ис-
ходных значений наблюдается только после дли-
тельного нагревания кристаллов до высокой тем-
пературы. Например, в случае GaAs температу-
ðà îòжèãà дåфåêòîâ ñîñòàâëÿåò îêîëî 400°С [6].
В отличие от этого, в [1—3] наблюдалось улуч-
шение структурных свойств полупроводниковых
кристаллов (отжиг дефектов) при их облучении
мощными (сильноточными) импульсными элек-
тронными пучками высоких энергий, и в [7] нами
было приведено теоретическое обоснование это-
го эффекта. Настоящая статья посвящена описа-
нию экспериментальных исследований влияния
сильноточных импульсных электронных пучков
на оптическую однородность полупроводнико-
вых кристаллов GaAs и CdS, подтверждающих
выдвинутую в [7] теорию.
При облучении полупроводниковых кристаллов мощными (сильноточными) импульсными электрон-
ными пучками высоких энергий обнаружен новый вид отжига, названный авторами ионизационным.
В данной статье описаны экспериментальные исследования, подтверждающие сделанное ранее те-
оретическое обоснование.
Ключевые слова: лазер, отжиг, электронный пучок.
Условия эксперимента
Исследовали массивные монокристаллы суль-
фида кадмия n-типа проводимости, выращенные
методом сублимации в равновесных условиях
или в условиях избытка паров серы или кадмия.
Образцы арсенида галлия n- и p-типа получали
методом жидкофазной эпитаксии в поле гамма-
излучения или вырезали из массивных слитков
вдоль оси их роста в виде плоскопараллельных
пластин и полировали с обеих сторон (клиновид-
ность пластин была не хуже 10′′—20′′). После это-
го поверхность образцов очищалась бомбардиров-
кой ионами аргона с энергией около 20 кэВ в ваку-
уме 10–8 Òîðð ïðè òåмïåðàòóðå 200°С.
Толщину пластин (около 1 мм) выбирали с
учетом того, что при ее увеличении уменьшается
пропускание образца за счет увеличения погло-
щения и увеличиваются углы рассеяния лазерно-
го излучения, обусловленного оптическими не-
однородностями. Толщину образцов измеряли с
помощью вертикального интерферометрического
оптиметра (типа ИКВ) с набором оптических из-
мерительных головок, обеспечивающих погреш-
ность измерения не хуже 0,1—0,2 мкм.
В табл. 1 приведены параметры исследуемых
образцов (N — равновесная концентрация носи-
телей заряда, μ — подвижность, r — удельное
сопротивление, Dn — разница между значения-
ми показателя преломления образца и оптически
однородного кристалла, Nd — плотность дисло-
каций, t — время жизни излучательной рекомби-
нации неравновесных носителей заряда, его из-
меряли по методике, описанной в [8]).
Для облучения образцов использовался уско-
ритель ЭЛИТ-2 в импульсном режиме со сле-
дующими параметрами: энергия электронов
E0 = 0,3—1 МэВ, длительность импульса тока
t = 0,1—10 нс, частота повторения импульсов
Ω = 1—10 Гц, плотность тока пучка j = 20—300 А/см2
при его диаметре 8 мм.
DOI: 10.15222/TKEA2014.2.51
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6
52
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ISSN 2225-5818
Экспериментальные результаты
и их обсуждение
Образцы GaAs были подвергнуты облучению
при комнатной температуре (T = 300 K) импульс-
ным электронным пучком с j = 200—300 А/см2,
E0 = 1 МэВ, t = 0,1—10 нс и Ω =10 Гц. После
этого проводились их электрофизические и опти-
ческие исследования, результаты которых при-
ведены в табл. 2.
В кристаллах, обладающих проводимостью
n-типа, изменение концентрации и подвижно-
сти носителей заряда было незначительным.
Глубоких уровней, наблюдаемых обычно в ар-
сениде галлия после таких больших доз облу-
чения, выявлено не было. Скорость удаления
электронов К была на два-три порядка меньше,
чем в ранее известных случаях [4], и составляла
10–1—10–2 см–1 (K =ΔDN/Ф, где DN — концен-
трация неравновесных носителей заряда, возни-
кающих при облучении образца возбуждающим
электронным пучком; Ф — интегральный по-
ток (доза), флюенс электронов). Свойства кри-
сталлов p-типа также изменялись слабо, однако
скорость удаления дырок в них была больше —
0,3 см–1, что обусловлено различным уровнем ле-
гирования образцов n- и р-типа. Незначительное
изменение электрофизических свойств исследо-
ванных образцов обоих типов проводимости, оче-
видно, связано с тем, что большая часть радиаци-
онных дефектов, которые возникают в кристал-
лах в процессе облучения, успевает отжечься за
время импульса.
Наряду с этим оказалось, что после интенсив-
ного облучения импульсным электронным пучком
малой длительности существенно улучшились па-
раметры катодолюминесценции (см. рисунок) и
уменьшилось время жизни t излучательной ре-
комбинации неравновесных носителей. Также
улучшились структурные свойства исследуемо-
го материала, что подтверждается исследовани-
№
образца
Материал
образца Dn r,
Ом⋅см
N,
см–3
μ,
см2/(В⋅с)
Nd,
см–2
t,
с
1 n-GaAs 6,52⋅10–4 2,20⋅10–1 1,2⋅1018 6351 1,5⋅104 3,2⋅10–9
2 n-GaAs 5,74⋅10–4 1,51⋅10–1 1,5⋅1019 5523 2,3⋅104 4,5⋅10–9
3 p-GaAs 8,41⋅10–5 4,55⋅10–1 1,3⋅1017 7634 2,1⋅104 2,0⋅10–9
4 n-CdS 4,51⋅10–6 3,70⋅104 5,3⋅1013 928 7,3⋅104 4,4⋅10–9
5 n-CdS 1,42⋅10–6 2,58⋅103 7,9⋅1015 419 6,6⋅104 2,5⋅10–9
6 n-CdS 3,53⋅10–3 1,20⋅105 1,9⋅1014 521 4,3⋅104 4,5⋅10–9
7 n-CdS 5,33⋅10–5 2,47⋅103 2,08⋅1014 532 3,5⋅104 3,1⋅10–9
Таблица 1
Электрофизические и оптические свойства образцов до облучения
Таблица 2
Электрофизические и оптические свойства образцов после их облучения импульсным
электронным пучком
№
образца
Материал
образца Dn DK DN,
см–3
N,
см–3
μ,
см2/(В⋅с)
t,
с
DN/N,
%
1 n-GaAs 1,20⋅10–4 1,2⋅10–3 0,1⋅1018 1,1⋅1018 6532 2,3⋅10–9 0,09
2 n-GaAs 2,10⋅10–4 2,9⋅10–2 0,2⋅1019 1,3⋅1019 5727 3,8·⋅10–9 0,15
3 p-GaAs 7,50⋅10–6 3,5⋅10–4 0,1⋅1017 1,2⋅1017 7841 1,5⋅10–9 0,08
4 n-CdS 2,95⋅10–6 0,4м10–3 0,2⋅1013 5,1⋅1013 1000 3,3⋅10–9 0,01
5 n-CdS 0,24⋅10–6 2,5⋅10–4 1,5⋅1015 6,4⋅1015 449 2,1⋅10–9 0,23
6 n-CdS 2,80⋅10–3 1,4⋅10–3 0,6⋅1014 1,3⋅1014 553 4,7⋅10–9 0,46
7 n-CdS 2,45⋅10–6 0,3⋅10–3 1,3.1015 4,2.1015 500 3,1⋅10–9 0,30
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6
53
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ISSN 2225-5818
ем оптической неоднородности, связанной с рас-
сеянием и поглощением излучения на дефектах
структуры (изменение показателей преломления
Dn и поглощения DK). Измерения проводились
по методике, приведенной в [8].
Поскольку полученные экспериментальные
результаты отличались от данных других работ
[3, 9, 10], ñîãëàñíî êîòîðым îбëóчåíèå GaAs
электронами высоких энергий приводит к суще-
ственным необратимым изменениям электрофи-
зических и оптических свойств, были проведе-
ны контрольные исследования: кристаллы GaAs
облучали пучком электронов с плотностью тока
j = 1 мкА/см2 и энергией E = 1 МэВ на слаботоч-
ном ускорителе «Электроника ЭЛУ-4» при ком-
натной температуре. Образцы были вырезаны из
тех же слитков и приготовлены тем же самым обра-
зом, что и для облучения на ускорителе ЭЛИТ-2.
После облучения дозой 1016—1017 см–2, что на
порядок меньше, чем на ускорителе ЭЛИТ-2,
подвижность и концентрация носителей заряда
резко уменьшились как у нелегированных, так
и у легированных кристаллов. Скорость удале-
íèÿ íîñèòåëåé быëà âåëèêà è ïðè дîзå 2•1017 см–2
составляла 3,5 см–1 у легированных образцов.
Были обнаружены глубокие уровни Ec = 0,02 эВ и
Ec = 0,09 ýВ, íàбëюдàåмыå îбычíî ïðè îбëóчåíèè
таких структур. Подобно кристаллам с большим
количеством дефектов, резко уменьшилась интен-
сивность катодолюминесценции (кривая 2 на ри-
сунке). Хранение облученных образцов при ком-
натной температуре в течение нескольких дней не
привело к каким-либо заметным изменениям их
электрофизических и люминесцентных свойств.
Результаты контрольного исследования свиде-
тельствуют о достоверности результатов облуче-
ния образцов сильноточными импульсными пуч-
ками, поскольку при слаботочном облучении та-
ких же кристаллов их характеристики изменялись
так, как и в других известных работах.
Обнаруженное улучшение свойств GaAs после
облучения мощным импульсным потоком электро-
нов высоких энергий можно, вероятно, объяснить
следующим образом. В результате такого облу-
чения резко возрастает плотность электронно-
дырочной плазмы (1019—1020 см–3), что обуслов-
ливает такие коллективные явления в кристалле,
как экранирование электронно-дырочным обла-
ком пар Френкеля (исходных и возникающих в
процессе облучения) и экранирование валентных
связей. Это, в свою очередь, приводит к резко-
му увеличению подвижности атомов решетки и
к «залечиванию» точечных дефектов, т. е. к эф-
фективному отжигу, что значительно улучшает
структуру и оптическую однородность кристал-
ла и находится в хорошем соответствии с теоре-
тическим обоснованием процесса [1].
При облучении кристалла контролировалось
его нагревание на протяжении импульса (по сдви-
гу длины волны катодолюминесценции, а также
по фазовому сдвигу лазерного излучения, отра-
женного от исследуемого образца [11, 12]). Было
установлено, что кристалл нагревается незначи-
òåëьíî: íà 80—100°C ïðè дëèòåëьíîñòè èмïóëь-
ñà 10 íñ è íà 8—10°C ïðè дëèòåëьíîñòè 1 íñ. Òî
есть, обнаруженный вид отжига является нетер-
мическим и поэтому назван ионизационным.
В тех же условиях изучали кристаллы CdS.
В них также было обнаружено улучшение элек-
трофизических и оптических свойств (см. табл. 2).
При этом, однако, механизм импульсного отжига
в них, по-видимому, не такой, как в GaAs. Дело
в том, что прочность кристаллической решетки
CdS меньше, чем у GaAs, и это облегчает поли-
морфные превращения при невысоких сдвиго-
вых напряжениях. Фазовый переход из основной
гексагональной модификации с решеткой типа
вюрцит в кубическую типа сфалерит (a-CdS →
b-CdS) может быть стимулирован термоупруги-
ми напряжениями, которые при кратковремен-
ном воздействии мощных электронных пучков
(DN = 1019—1020 см–3) достигают значений
(1—2)•107 Н/м2, достаточных для начала процес-
са полиморфного превращения [13]. Результаты
экспериментов показали, что в кристаллах CdS,
толщина которых сравнима с глубиной проник-
новения электронов, произошли указанные фа-
зовые переходы из a- в b-модификацию [13],
что свидетельствует об ионизационном механиз-
ме отжига [3].
Теоретические оценки влияния интенсивно-
го облучения на полупроводниковые материа-
лы, описанные в [3, 7, 14, 15], хорошо согласу-
ются с полученными экспериментальными дан-
ными и позволяют допустить, что обнаружен-
ные свойства кристаллов GaAs и CdS, облучен-
ных пучками быстрых электронов большой плот-
ности, связаны собственно с высокой интенсив-
Спектры катодолюминесценции, полученные при
T = 300 K, для образцов n-GaAs с N = 1,2⋅1018 см–3
до (1) и после (2, 3) облучения:
2 — íåïðåðыâíîå îбëóчåíèå (Ф=1,5•1017 см–2, j=10–6 А/см2,
E0 = 800 кэВ); 3 — èмïóëьñíîå îбëóчåíèå (Ф = 8•1018 см–2,
j=50 А/см2, E0=800 кэВ)
116 124 132 140 148
Энергия, эВ
О
тн
ос
ит
ел
ьн
ая
и
нт
ен
си
вн
ос
ть
и
зл
уч
ен
ия
1
3
2
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6
54
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ISSN 2225-5818
ностью электронного пучка. Так, при комнатной
температуре при энергии возбуждающих электро-
нов E0 = 700 кэВ и плотности тока j = 50 А/см2
скорость генерации электронно-дырочных пар в
единице объема исследованных образцов состав-
ляет около 1028 см–3•ñ–1, DN = 1019—1020 см–3,
t ≈ 10—9, что на 8 порядков больше, чем при облуче-
нии на слаботочном укорителе при j = 10–6 А/см2.
Также после такого облучения на 10 порядков
становится выше скорость введения радиацион-
ных дефектов Френкеля, а их мгновенная плот-
ность за время одного импульса составляет около
1017 см–3. При облучении на слаботочном уско-
рителе за то же время плотность возникающих
дефектов составляет примерно 107 см–3.
В случае облучения образцов электронами с
энергией E0 = 1 МэВ и током j = 100 А/см2 в те-
чение 1 нс первичными дефектами в них являют-
ся неравновесные пары Френкеля. Вероятность
протекания реакций аннигиляции или диссоци-
ации такой пары зависит от энергии и импульса
возникающей в процессе облучения неравновес-
ной электронно-дырочной плазмы. Высокий уро-
вень ионизации может изменить скорость такой
реакции вследствие взаимодействия электронов
и дырок не только друг с другом, но и с нерав-
новесными дефектами [7]. При этом, как под-
твердили представленные выше результаты экс-
периментов, происходит их эффективный отжиг.
Вероятность возникновения устойчивого дефек-
та, обычно наблюдаемого при облучении на сла-
боточном ускорителе, при интенсивном облуче-
нии уменьшается до нуля. Высокий уровень ио-
низации может изменить зарядовое состояние не
только радиационных дефектов, но и других несо-
вершенств кристаллической решетки. Вследствие
этого возможно изменение скорости различных
реакций, которые протекают в облученном кри-
сталле между радиационными дефектами и исход -
ными нарушениями или примесями, поскольку
сечение захвата дефекта этими нарушениями за-
висит от их зарядового состояния.
То обстоятельство, что наблюдаемые измене-
ния свойств GaAs слабо зависят от типа прово-
димости, подчеркивает, что эти изменения опре-
деляются не исходной равновесной концентраци-
ей носителей, а высоким уровнем возбуждения
электронно-дырочных пар. Улучшение однород-
ности материала в результате влияния радиации
говорит о том, что в условиях облучения импульс-
ным электронным пучком высокой интенсивности
примесные атомы или более сложные комплексы
(примесный атом + радиационный дефект) спо-
собны перемещаться по кристаллу. Сегодня су-
ществует ряд убедительных доказательств того,
что изменение зарядового состояния примесных
атомов увеличивает скорость их диффузии. Это
приводит к заметному перемещению примесных
àòîмîâ ïî êðèñòàëëó [6]. Пîñêîëьêó дèффóзèîí-
ная длина неравновесных носителей составляет
0,2—1 мкм и они могут перемещаться на рассто-
яния в сотни постоянных решетки, а расстояние
между примесями и дефектами при их концен-
трации 1018—1019 см–3 составляет 10—15 посто-
янных решетки, экранирование химических свя-
зей значительно увеличивает подвижность этих
несовершенств и приводит к «залечиванию» де-
фектов кристаллической решетки, увеличивая ее
оптическую однородность.
Следует отметить, что обнаруженное явле-
ние было использовано для создания мощных
ïîëóïðîâîдíèêîâыõ ëàзåðîâ [16, 17]. Òàê, íà-
пример, у лазеров на основе образцов n-GaAs
c êîíцåíòðàцèåé ýëåêòðîíîâ (1—3)•1020 см–3
минимальная пороговая плотность тока составля-
ла 3 A/см2 при 300 К и 0,8—1 A/см2 при 80 К,
при этом КПД был вблизи своих предельных зна-
чений: 11—15% при 300 К и 25—30% при 80 К.
Мощность излучения достигала 300—400 Вт.
Заключение
Проведенные исследования указывают на то,
что предложенная авторами модель качественно
объясняет новые и неожиданные физические ре-
зультаты, полученные при облучении кристаллов
GaAs и CdS мощным импульсным пучком элек-
тронов высоких энергий. Исследования в данном
направлении целесообразно продолжить с точ-
ки зрения более детального понимания сложных
механизмов взаимодействия мощного импульс-
ного потока электронов высоких энергий с ве-
ществом, а также использования обнаруженных
эффектов для создания мощных полупроводни-
ковых лазеров.
Обнаруженное значительное улучшение свойств
полупроводниковых соединений GaAs и CdS по-
сле облучения интенсивным импульсным пучком
быстрых электронов является принципиально
новым явлением. Оно расширяет существу ющие
представления о взаимодействии потоков заря-
женных частиц высокой плотности и энергии с
твердыми телами, в корне изменяет ранее усто-
явшиеся представления о том, что это взаимодей-
ствие необратимо ухудшает свойства полупрово-
дниковых кристаллов.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Гаркавенко О. С., Лєнков С. В., Мокрицький В. А.,
Пашков А. С. Напівпровідникові лазери з електрон-
ним накачуванням. Т. 1. Механізм генерації. Властивості
âèïðîміíюâàííÿ.— Одåñà: Пîëіãðàф, 2006.
2. Гаркавенко O. С., Ленков С. В., Мокрицький В. А.,
Відолоб В. В. Напівпровідникові лазери з електрон-
ним накачуванням. Т. 2. Активні середовища. Розробка
ïðèëàдіâ.— Одåñà: Пîëіãðàф, 2006.
3. Гаркавенко А. С. Радиационная модификация фи-
зических свойств широкозонных полупроводников и соз-
дание на их основе лазеров большой мощности.— Львов:
ЗУКЦ, 2012.
4. Вавилов В. С., Кекелидзе Н. П., Смирнов Л. С.
Действие излучений на полупроводники.— Москва: Наука,
1988.
5. Оцуки Ё.-Х. Взаимодействие заряженных частиц с
òâåðдымè òåëàмè.— Мîñêâà: Мèp, 1985.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6
55
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ISSN 2225-5818
6. Мàòàðå Г. Эëåêòðîíèêà дåфåêòîâ â ïîëóïðîâîдíè-
êàõ.— Мîñêâà: Мèð, 1974.
7. Гаркавенко А. С., Мокрицкий В. А., Банзак О. В.,
Завадский В. А. Ионизационный отжиг полупроводнико-
вых кристаллов. Часть первая: Теоретические предпосыл-
ки // Технология и конструирование в электронной аппа-
ратуре. — 2014. — № 4. — С. 50—55.— DOI: 10.15222/
TKEA2014.4.50
8. Гаркавенко А. С., Зубарев В. В., Ленков С. В. и др.
Новые лазерные методы, средства и технологии.— Одесса:
Астропринт, 2002.
9. Лåíêîâ С. В., Мîêðèцêèé В. А., Пåðåãóдîâ Ä. А.,
Тариелашвили Г. Т. Физико-технические основы радиаци-
онной технологии полупроводников.— Одесса: Астропринт,
2002.
10. Ленков С. В., Мокрицкий В. А., Гаркавенко А. С.
и др. Радиационное управление свойствами материалов и
изделий опто- и микроэлектроники.— Одесса: Друк, 2003.
11. Гаркавенко А. С., Календин В. В., Мокрицкий В. А.
Измерение температуры по фазовому сдвигу лазерного из-
лучения // Технология и конструирование в электронной
àïïàðàòóðå.— ¹ 4’1992–¹ 1’1993.— С. 50—51.
12. Гаркавенко А. С. Лазерный интерференционный
метод контроля температуры твердых тел // Матер.
íàóч.-òåõíèч. êîíф. «Лåîòåñò-98»: Фèзèчåñêèå мåòîды è
ñðåдñòâà êîíòðîëÿ мàòåðèàëîâ è èздåëèé.— Êèåâ–Льâîâ.—
1998.— С. 114—117.
13. Мокрицький В. А., Лєнков С. В., Гаркавенко О. С.
та ін. Аналiз механiзмiв вiдпалу лазерних кристалiв CdS //
Зб. наук. праць Вiйськового iнституту КНУ iм. Т. Шев-
чåíêà.— 2011.— Вèï. 33.— С. 96—98.
14. Гаркавенко А. С., Дмитриев А. И., Календин В. В.,
Левинский Б. Н. О возможности измерения времени ре-
лаксации за счет электронно-дырочного рассеяния в по-
лупроводниках при высоком уровне возбуждения //
Êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà.— Êèåâ: Нàóêîâà дóмêà, 1989.—
¹ 36.— С. 58—60.
15. Гаркавенко А. С., Гатало М. С., Левинский Б. Н.
Расчет времени релаксации за счет электронно-дырочного рас-
сеяния в сильно возбужденной плазме полупроводников //
Фèзèчåñêàÿ ýëåêòðîíèêà.— 1990.— Выï. 41.— С. 46—48.
16. Гàðêàâåíêî А. С. Смåíà мåõàíèзмîâ èзëóчåíèÿ â ëà-
зерах с электронной накачкой на основе оптически одно-
родных, радиационно легированных кристаллов GaAs //
Зб. наук. праць Вiйськового iнституту КНУ iм. Т. Шев-
ченка.— 2011.— Вип. 32.— С. 15— 21.
17. Гаркавенко А. С. Тонкая структура спектров ла-
зерного излучения при электронной накачке радиационно
модифицированных оптически однородных нелегирован-
ных кристаллов GaAs // Технология и конструирование
в электронной аппаратуре.— 2011.— № 5.— С. 27— 30.
Дата поступления рукописи
в редакцию 15.12 2013 г.
A. S. GARKAVENKO1, V. A. MOKRITSKII2,
O. V. BANZAK3, V. A. ZAVADSKII4
1Germany, Kornwestheim, Wissenschaftliche Vereinigung «Geisteskraft»;
2Ukraine, Odessa National Polytechnic University;
3A. S. Popov Odessa National Academy of Telecommunications;
4Odessa National Maritime Academy
E-mail: garks@arcor.de; mokrickiy@mail.ru
IONIZATION ANNEALING OF SEMICONDUCTOR CRYSTALS.
PART TWO: THE EXPERIMENT
There is a conception that irradiation of semiconductor crystals with high energy electrons (300 keV) re-
sults in a significant and irreversible deterioration of their electrical, optical and structural properties.
О. С. ГАРКАВЕНКО1, В. А. МОКРИЦЬКИЙ2,
О. В. БАНЗАК3, В. О. ЗАВАДСЬКИЙ4
1Німеччина, м. Корнвестхайм, Фірма «Гайстескрафт»;
2Україна, Одеський національний політехнічний університет;
3Одеська національна академія зв’язку ім. О. С. Попова;
4Одеська національна морська академія
E-mail: garks@arcor.de; mokrickiy@mail.ru
ІОНІЗАЦІЙНИЙ ВІДПАЛ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ КРИСТАЛІВ.
ЧАСТИНА ДРУГА: ЕКСПЕРИМЕНТ
При опроміненні напівпровідникових кристалів потужними (сильнострумовими) імпульсними елек-
тронними пучками високих енергій виявлено новий вид відпалу, названий авторами іонізаційним. У цій
статті наведено результати експериментальних досліджень, які підтверджують зроблене раніше тео-
ретичне обгрунтування.
Ключові слова: лазер, відпал, електронний пучок.
DOI: 10.15222/TKEA2014.2.51
UDC 535.14:621.365.826
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6
56
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ISSN 2225-5818
REFERENCES
1. Garkavenko O. S., Lyenkov S. V., Mokrits'kii V.
A., Pashkov A. S. Napivprovidnikovi lazeri z elektronnim
nakachuvannyam. Vol. 1. Mekhanizm generatsiyi. Vlastivosti
viprominyuvannya [Semiconductor laser with electronic
pumping. Volume 1. The mechanism of generation. Properties
of radiation]. Odesa, Poligraf, 2006, 434 p. (in Ukranian)
2. Garkavenko O. S., Lyenkov S. V., Mokrits'kii V.
A., Vidolob V. V. Napivprovidnikovi lazeri z elektronnim
nakachuvannyam. Vol. 2. Aktivni seredovishcha. Rozrobka
priladiv [Semiconductor laser with electronic pumping. Vol. 2.
The active environment. Development of devices]. Odesa,
Poligraf, 2006, 434 p. (in Ukranian)
3. Garkavenko A. S. Radiatsionnaya modifikatsiya
fizicheskikh svoistv shirokozonnykh poluprovodnikov i
sozdanie na ikh osnove lazerov bol'shoi moshchnosti [Radiation
modification of the physical properties of wide bandgap
semiconductors and creation on their basis of high-power
lasers]. L'vov, ZUKTs, 2012, 258 p. (in Russian)
4. Vavilov V. S., Kekelidze N. P., Smirnov L. S.
Deistvie izluchenii na poluprovodniki [Effect of radiation on
semiconductors]. Moscow, Nauka, 1988, 173 p. (in Russian)
5. Ohtsuki Yoshi-Hiko. Charged beam interaction with
solids. USA, Canada, Taylor & Francis, 1983, 248 p.
6. Matare H. F. Defect electronics in semiconductors.
John Wilet & Sons Inc., 1971, 627 ð.
7. Garkavenko A. S., Mokritskii V. A., Banzak O. V.,
Zavadskii V. A. Ionization annealing of semiconductor
crystals. Part one: theoretical background. Tekhnologiya
i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2014, no 4,
pp. 50-55. DOI: 10.15222/TKEA2014.4.50 (in Russian)
8. Garkavenko A. S., Zubarev V. V., Lenkov S. V. et al.
Novye lazernye metody, sredstva i tekhnologii [New laser
techniques, equipment and tehnologies]. Odessa, Astroprint,
2002, 280 p. (in Russian)
9. Lenkov S. V., Mokritskii V. A., Peregudov D. A.,
Tarielashvili G. T. Fiziko-tekhnicheskie osnovy radiatsionnoi
tekhnologii poluprovodnikov [Physical and technical bases
of semiconductors radiation technology]. Odessa, Astroprint,
2002, 296 p. (in Russian)
10. Lenkov S. V., Mokritskii V. A., Garkavenko A. S. et al.
Radiatsionnoe upravlenie svoistvami materialov i izdelii opto-
i mikroelektroniki [Radiation properties control of materials
and products of opto- and microelectronics]. Odessa, Druk,
2003, 345 p. (in Russian)
11. Garkavenko A. S., Kalendin V. V., Mokritskii V. A.
[Temperature measurement via phase shift of laser radiation]
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature,
no 4’1992 – 1’1993, pp. 50-51 (in Russian)
12. Garkavenko A. S. [The laser interference method of
temperature control of solids] Mater. of scientific-tech. conf.
"Leotest-98": Physical methods and control of materials and
products. Kiev, Lvov, 1998, pp. 114-117. (in Russian)
13. Mokritskii V.A., Lenkov S.V., Garkavenko O.S.,
Zavadskii V.A., Banzak O.V. [Analysis of the mechanisms of
laser annealing CdS crystals] Collection of Scientific Papers
of the Military Institute, Ukraine, Kiev, 2011, iss. 33,
pp. 96-98. (in Ukranian)
14. Garkavenko A. S., Dmitriev A. I., Kalendin V. V.,
Levinskii B. N. [About possibility of measuring the relaxation
time due to electron-hole scattering in semiconductors at high
excitation level] Kvantovaya elektronika, Kiev, Naukova
dumka, 1989, iss. 36, pp. 58-60. (in Russian)
15. Garkavenko A. S., Gatalo M. S., Levinskii B. N.
[Сalculation of the relaxation time due to electron-hole
scattering in highly excited plasma in semiconductors].
Fizicheskaya elektronika, 1990, iss. 41, pp. 46-48. (in Russian)
16. Garkavenko A. S. [Change of emission mechanisms in
e-pumped lasers based on optically homogeneous, radiation-doped
GaAs crystals]. Collection of Scientific Papers of the Military
Institute, Ukraine, Kiev, iss. 32, pp. 15-21. (in Russian)
17. Garkavenko A. S. [Fine structure of laser spectrum at
electron-beam pumping based on radiation-modified optically
homogeneous crystals of undoped GaAs]. Tekhnologiya i
Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2011, no 5,
pp. 27- 30. (in Russian)
Semiconductors are typically irradiated by low voltage electron accelerators with a continuous flow, the cur-
rent density in such accelerators is 10–5—10–6 A/cm2, the energy — 0,3—1 MeV. All changes in the properties
after such irradiation are resistant at room temperature, and marked properties recovery to baseline values
is observed only after prolonged heating of the crystals to a high temperature. In contrast, the authors in
their studies observe an improvement of the structural properties of semiconductor crystals (annealing of de-
fects) under irradiation with powerful (high current) pulsed electron beams of high energy (E0 = 0,3–1 MeV,
t = 0,1—10 ns, Ω = 1—10 Hz, j = 20—300 A/cm2). In their previous paper, the authors presented theoreti-
cal basis of this effect. This article describes an experimental study on the influence of high-current pulsed
electron beams on the optical homogeneity of semiconductor GaAs and CdS crystals, confirming the theory
put forward earlier.
Keywords: laser, annealing, electron beam.
|