电子和γ射线辐照损伤与抗核加固机理研究studyonradiation.pdf

CNIC-01514 CAEP-0064电子和 γ γ γ γ 射线辐照损伤与抗核加固机理研究STUDY ON RADIATION DAMAGE OF ELECTRON AND γ γ γ γ -RAYS AND MECHANISM OF NUCLEAR HARDENING (In Chinese)中 国 核 情 报 中 心 China Nuclear Information Centre1CNIC-01514 CAEP-0064电子与 γ 射线辐照损伤与 抗核加固机理研究景 涛 （中国工程物理研究院，成都，610003）摘 要介绍了电子和 γ 射线的辐照损伤效应，并在实验中研究了损伤缺陷在此基础上进行了抗核加固机理和加固技术研究2Study on Radiation Damage of Electron and γ -rays and Mechanism of Nuclear Hardening (In Chinese)JING Tao (China Academy of Engineering and Physics, Chengdu, 610003)ABSTRACTRadiation damage effects of electrons and γ-rays are presented. The damage defects are studied by experimental methods. On the basis of these studies the damage mechanism and nuclear hardening techniques are studied.3引 言电子和 γ 射线对半导体材料辐照，使之产生损伤缺陷，这种辐照效应对于半导体元 器件将引起不同程度的损伤，影响器件的电学性能，从而造成电子系统的功能衰退，甚 至完全被破坏。

然而当人们认识到电子和 γ 射线辐照半导体材料能产生缺陷能级的特性 时，就充分利用这种特性对半导体材料进行辐照改性，从工艺上改进半导体的性能例 如中子嬗变掺杂 (neutron transmutation doping，NTD) 技术，就是用热中子辐照高纯 P 型 硅单晶 (电阻率几十至几百 kΩ/cm 之间)通过核反应把磷元素掺杂进去，从而获得高阻 N 型硅单晶吸附技术中，在器件衬底中通过辐照引入位移损伤缺陷，能够吸附灵敏区 内的活性缺陷或者杂质，减少灵敏区中的缺陷， 使其更加完善 本工作则研究电子和 γ 射 线辐照引入深能级缺陷，降低少子寿命，利用这种特性可以改善器件的恢复时间适当 地掌握辐照条件可以达到控制少子寿命的目的，减小器件寿命可以提高抗位移辐照损伤 的能力 首先我们把几种不同型号的硅材料经过电子或 γ 射线的辐照，形成位移损伤缺陷， 利用深能级瞬态谱仪（deep level transient spectroscopy，DLTS）方法，分析辐照引入的缺 陷性质和有关参数，然后用反向恢复时间方法测量少子寿命，再用寿命损伤系数 K 把少 子寿命的变化与辐照条件联系起来，最后通过退火工艺保留适当的深能级缺陷，减小少 子寿命。

经过多次实验寻找最佳辐照条件和退火工艺，达到抗辐射加固的目的1 辐照样品研究使用的半导体硅材料由峨眉山半导体材料研究所提供电阻率用四探针方法测 量，浅施（受）主浓度用 C-V 方法测量给出，将材料制成 0.3 mm 厚的薄片，光刻制版作 成 P+NN+或 N+PP+结构，管心为 1.0 mm 的二极管其中区熔生长的材料（I/FP）、中子 嬗变生长的材料（I/NP）和掺磷直拉生长的材料（I/CP）都用离子注入方法制作 PN 结， 将 B+ 离子注入到正表面，注入浓度为 1019 cm− 3 ，背面注入离子作为欧姆接触离子注 入工艺的离子能量为 40 keV， 注入注量为 20～100 nA· cm−2 掺硼直拉生长的材料 (D/CB) 用扩散工艺制作 PN 结，扩散工艺的炉温度是 1200 ℃，氧气氛保护，N 型材料正面扩散 硼，表面扩散浓度为 1019 cm−2，P 型材料正面扩散磷，表面扩散浓度为 1019 cm−2，背面蒸 铝作为欧姆接触，表面浓度达到 1021 cm−22 辐照实验2. 1 电子辐照利用 K400 加速器进行了电子辐照将电子能量固定在 1.5 MeV，改变电子注量的 变化，分成七个挡次：2×1014，3×1014，4×1014，5×1014，6×1014，7×1014和 1015 cm−2。

对材料分别进行辐照，分析损伤缺陷与电子注量的关系将电子注量数值固定在 2×1014 cm−2，变化电子能量，分成六个挡次：0.8，1.0，1.3，1.6，1.8 和 2.0 MeV对材料分别 进行辐照，分析损伤缺陷与电子能量的关系样品分成 13 组，每组样品 5 只，样品正面4垂直对准电子束流，辐照时用通风方式冷却，保持样品温度不超过 20 ℃，不造成损伤缺 陷的退火电子注量的偏差小于 10%2. 2 γ 射线辐照利用实验室60Co产生的 γ 射线进行辐照， γ 射线的能量为两种： 1.33 MeV和1.17 MeV同时存在 被辐照的样品夹在 5 mm 厚的有机玻璃板中 辐照注量分为两个挡次： 105 Gy (Si) 和 5×105 Gy (Si)用标准电离室校准过的硫酸亚铁测量剂量，偏差小于 10%3 用 DLTS 方法测量深能级缺陷3. 1 DLTS 原理简介 半导体体内缺陷 (电子和空穴陷阱) 都具有两种带电状态：电子陷阱，未俘获电子时 呈现电中性，俘获电子时呈现负电性；空穴陷阱，未俘获空穴时呈现电中性，俘获空穴 时呈现正电性 其荷电状态与它们的能级相对费米能级的位置有关。

位于非对称性 P+N (或 者 N+P) 结轻掺杂区的陷阱在脉冲偏压作用下，其能级相对于费米能级的位置发生变化， 使荷电状态随着改变，致使结电容发生瞬态变化根据结电容发生瞬态变化提供的信息 可以确定结轻掺杂区的陷阱类型 (多子陷阱或少子陷阱)及浓度和表征陷阱特性的其他参 数 3. 2 DLTS 测量技术将待测量的半导体结在一个宽的温度范围内慢慢地进行温度扫描，在不同的温度上 作瞬态测量，测量时间极短，以致可以看作是在该温度的一次等温瞬态测量为了简明， 我们假定作温度上升扫描，用电容测量 N 型样品中的电子陷阱图 1 是 DLTS 测量的电 容和偏压变化示意图实际上只测量 V1突变到 V2以后的两个确定时间 (如图 1 中的 t1和 t2) 的电容值，假设他们分别为 C(t1)和 C(t2)，并定义 t1和 t2为率窗，t2 t1为率窗时间考 虑他们的电容差值 [C(t2)-C(t1)]，理论指出电容的瞬变时间常数 en−1与温度呈现指数形变 化，温度要适当，太大和太小电容差值都小，只有在某个温度时，en−1正好与 (t2 −t1) 相 当，电容差值 [C(t2) −C(t1)]将出现 一幅度极大值。

如果样品中有几 个不同的深能级，它们的 en随温 度变化一般是各不相同的，在作 DLTS 温度扫描时，将出现几个峰 值，每一个峰值对应一种深能级， 每一种深能级在它的峰值温度下 的发射率 en与率窗时间 t2，t1有如 下的关系[1] en−1=（t2− t1）/ ln（t2 / t1） (1)由于一定类型的深能级具有 一定的峰值温度，所以常用 DLTS 方法来识别半导体材料中的深能 级含杂情况当深能级浓度 NT比图 1 DLTS 测量电容波形和偏压波形随时间的变化关系CV5掺杂浓度 Nd小很多时，DLTS 峰的高度正比于该类深能级浓度，而峰的位置对应于深能 级的类型 DLTS 方法除了能够测量深能级浓度和类型之外，还可以用于测量深能级的其他物理 性能例如深能级的位置、深能级浓度 NT在空间的分布截面等 我们使用北京大学的 DLTS 谱仪，对辐照过的样品进行测量分析被测量样品加上 偏压置于一个温度扫描系统中，由瞬态电容仪测量它的弛豫电容信号，并将信号传送给 发射率窗在测量中把发射率窗调整到一个固定数值上，然后对样品进行温度扫描，当 温度变化到使电子热发射率正好等于发射率窗的固定发射率值时，发射率窗输出极大值， 并用 x-y 记录仪记录这个极大值信号，x 轴表示温度（T），y 轴表示发射率窗。

变化温度 进行重复测量得到 DLTS 谱4 试验结果4. 1 电子辐照测量结果图 2 I/FP―5#的 DLTS 谱 图 3 I/CP―5# 的 DLTS 谱电子辐照的样品有 I/FP―5#， I/CP―5#，D/CP―2#和 D/CP―8#，都测量出了它们的 DLTS 谱，分别表示在图 2～5 中从图中读出 I/FP―5#有 5 个峰，I/CP―5#有 6 个峰（另 有一个 H0峰与辐照无关） ， D/CP―2#有 5 个峰 （另有两个 E01和 E02峰与辐照无关） ， D/CP― 8#有 4 个峰这些损伤形成的 DLTS 谱峰值的特性与已经知道的缺陷能级对比，可以确认 所测量出的 DLTS 峰值的缺陷情况例如图中的 E1表示氧-空位（O-V），能级位置在 0.17 eV；E2表示双空位（V-V），能级位置在 0.23 eV；E3表示磷-空位（P-V），能级位置在 0.43 eV；而 H1表示铁-硼结构（Fe-B），能级位置在 0.12 eV；H4表示碳-氧-空位结构77 103 148 185 217 246 273T / K77 103 148 185 217 246T / K辐照前辐照后E3+E4E2E1×0.05280 ℃, 退火 10 minE4E5VR=−5 V VP=5 V τ =0.375 ms320 ℃, 退火 10 minE2辐照前辐照后320 ℃, 退火 10 min380 ℃, 退火 10 min420 ℃, 退火 10 min450 ℃, 退火 10 minVR=−5 V VP=5 V τ =0.3 msE6E1E5E1×0.2H0H0E2H0H0E5E3+E4E1×0.01E6E6E1×0.256（C-O-V），能级位置在 0.30 eV。

我们把确认的这些缺陷结构和能级位置以及计算给出 的产生率（缺陷浓度/电子注量）和俘获截面列入表 1 和表 2 中缺陷类型和结构的关系 是：（O-V）是 A 中心，（V-V）是 G6中心, (P-V）是 E 中心,（C-O-V）是 K 中心；实 验发现的 E5，E6和 H3峰的缺陷结构和类型目前还不清楚在 N 型硅中辐照产生了 A 中 心、G6中心、E 中心和 E5，E6峰值；在 P 型硅中产生的是 H1中心（Fe-B），H2中心也 是 G6中心，H4是 K 中心和 H3峰值图 4 D/CP—2# 的 DLTS 谱 图 5 D/CP—8# 的 DLTS 谱表 1 电子辐照 N 型硅产生的缺陷中心特性产生率（NT/φe）/cm−1俘获截面/ cm−2DLTS峰能级位置(Ec-ET)/eV缺陷结构I/FPI/NPI/CPD/CPI/FPI/NPI/CPD/CPA(O-V)8.5×10−21.0×10−12.9×10−13.5×10−15.8×10−163.1×10−167.3×10−168.1×10−16G6(V-V)3.4×10−33.5×10−31.5×10−21.4×10−23.0×10−173.4×10−173.8×10−171.9×10−170.170.230.43E(P-V)8×10−44.2×10−41.2×10−21.1×10−2未测未测未测未测E1E2E3E40.46G6(V-V)3.4×10−33.5×10−31.5×10−21.4×10−21.5×10−161.8×10−。