Влияние облучения гамма-квантами на свойства p-n-переходов на основе GaAs

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ГАММА-КВАНТАМИ НА СВОЙСТВА ^-«-ПЕРЕХОДОВ НА ОСНОВЕ GaAs

Аннотация. При облучении образцов на основе GaAs гамма-квантами с энергией 1,25 МэВ было выявлено, что в образцах с дозой 0,3 Мрад, происходит уменьшение количества дефектов. Для анализа экспериментальных данных применялась такая физическая величина, как приведенная скорость рекомбинации, которая обратна к времени жизни носителей заряда.

Ключевые слова: дефект, гамма-квант, скорость рекомбинации, время жизни, носитель заряда.

Abstract. Irradiation of samples on the basis of GaAs scale in quanta with energy 1,25 MeV, were considered. It has been revealed reduction of quantity of defects in samples with an irradiation dose 0,3 Mrad. The resulted speed recombination (RSR) model was applied for the analysis of experimental data (the RSR is the physical size which returns by life time charge carriers).

Keywords: defects, scale in quanta, speed recombination, life time, charge carriers.

Для прогнозирования работы полупроводниковых приборов в условиях повышенной радиации необходимо исследовать изменение их свойств под действием излучений [1, 2]. Наиболее важным представляется определение электрически активных дефектов, образовавшихся под действием ионизирующих излучений, а также выяснение их роли в изменении электрических свойств приборов. Излучение приводит к модификации свойств полупроводниковых материалов, открывая новые возможности для их применения в электронике [3].

Настоящая работа посвящена исследованию процессов, происходящих в диодах на основе арсенида галлия, до и после облучения их гамма-излучением c энергией 1,25 МэВ. Для исследования использовались светодиоды, излучающие свет в инфракрасном диапазоне, с длиной волны 940 нм. До и после облучения измерялись вольт-амперные, вольт-емкостные характеристики приборов, а также проводилось исследование их термостимулированной емкости. Методики измерения и обработки результатов подробно описаны в работах [1, 2].

Для проведения анализа вольт-амперных характеристик (ВАХ) использовалась новая физическая величина - приведенная скорость рекомбинации ^пр , которая является обратной времени жизни, определяется как

состояниям коэффициенты захвата электрона и дырки m-го энергетического

; cnm , cpm - усредненные по всем

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

уровня; n - концентрация собственных носителей заряда; nim - концентрация носителей заряда для m-го уровня; Ntm - концентрация глубокого уровня; q - заряд; к - постоянная Больцмана; Т - температура; U - напряжение.

Таким образом, величина R^ определяется только параметрами am и

Cm , которые зависят лишь от природы глубоких уровней их концентрации и материала полупроводника. Выражение (1) лежит в основе ряда методов определения энергии активации глубоких уровней из ВАХ [1, 2]. Если s = 1 (один глубокий уровень), то (1) описывается всего двумя параметрами а и с . При этом в области малых напряжений, если

2сexp

то

а (qU

S47 eXP I ~kT

RW

а с ростом напряжения, если

2с exPl qkT J>>с2 +1,

то

потенциальный множитель —------, а по конечному участку —, после чего

а

Rпр

2С

По начальному участку этой кривой легко можно определить предэкс-

а а

г----, а по конечному участку —

С2 +1 2с

можно найти а и с , которые, в свою очередь, связанны с параметрами глубокого уровня [4]. Зная ст , находим энергию активации m-го глубокого уровня:

1—’ ^

Eg , 3 , m„ 1

~Г + _'

* 9

Чр 2 ^pm

* *

где Eg - ширина запрещенной зоны; mn, mp - эффективная масса электрона

и дырки соответственно.

Энергию активации можно определить с точностью до последнего сла-

с

гаемого, т.к. отношение nm , как правило, заранее неизвестно (для многих

С

pm

центров не превосходит 102), тогда при T = 300 K : кТln — = 0,03 эВ [4].

2 Ср

Em =^т - кТ ln Cm + j кТ ln + 2 кТ ln ^,

2 4 mr 2 cr

Если число уровней больше единицы, то зависимость представляет собой суперпозицию аналогичных кривых. Поэтому при анализе экспериментальной приведенной скорости рекомбинации она разделялась на составляющие. Разделение экспериментальной Лпр (V) на составляющие удобно проводить следующим образом. На каждом участке кривой подбираются значения ат и <^т таким образом, чтобы отклонение экспериментальной кривой от теоретической на этом участке было минимальным.

На рис. 1 приведен пример разложения приведенной скорости рекомбинации на составляющие. На рис. 2 представлены три экспериментальных Лпр (V) для образцов: необлученного, с дозой 0,3 Мрад и с дозой 0,5 Мрад.

Из зависимостей приведенной скорости рекомбинации от напряжения видно: кривая зависимости Лпр (V) для образца с дозой 0,3 Мрад лежит ниже кривой

для необлученного образца, а кривая для образца с дозой 0,5 Мрад при малых напряжениях лежит ниже кривых необлученного и образца с дозой 0,3 Мрад, но с увеличением напряжения он сначала поднимается выше кривой образца с дозой 0,3 Мрад, а затем и немного выше кривой необлученного образца. Таким образом, поскольку приведенная скорость рекомбинации обратно пропорциональна времени жизни, то с облучением образцов происходит сначала увеличение времени жизни (для образца с дозой 0,3 Мрад), а затем уменьшение практически до прежнего значения. Результаты вычислений представлены в табл. 1.

Рис. 1 Пример разложения ^пр (V) на составляющие

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Рис. 2 Сравнение приведенной скорости рекомбинации для образцов с различной дозой облучения

Таблица 1

Параметры уровней в необлученных и облученных образцах при температуре 291 К

1 2 3

Необлучен- ный Е, эВ 0,68 0,43 0,34

^СпСр Щ , о"1 2 1 0,230 -105 0,380-105 0,500 -105

сп! ср 3600 1300 750

С дозой 0,3 Мрад Е, эВ 0,68 0,43 0,34

^СпСр N, о"1 2 ( 0,19-105 0,300 -105 0,420 -105

сп / ср 3600 1400 730

С дозой 0,5 Мрад Е, эВ 0,66 0,45 0,35

^СпСр N,, о"1 2 1 0,250 -105 0,330-105 0,530-105

сп! ср 3600 2000 790

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что с увеличением полученной дозы энергия активации не изменяется, но происходит

\1СпС р

изменение величины —2— N. Как видно, сначала с увеличением получен-

п С р

ной дозы значение ^— N уменьшается, при дальнейшем увеличении дозы это значение увеличивается и возвращается практически к значениям до облучения.

Таким образом, мы можем сказать, что при облучении с небольшой дозой происходит уменьшение дефектов в кристаллической решетке, т.е. эти дозы облучения залечивают дефекты в кристалле, а при увеличении дозы облучения дефекты вновь «открываются». На это же указывается в работе [5].

Список литературы

1. Булярский, С. В. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах / С. В. Булярский, Н. С. Грушко. - М. : МГУ, 1995. - 399 с.

2. Булярский, С. В. Обобщенная модель рекомбинации / С. В. Булярский, Н. С. Грушко // ЖЭТФ. - 2000. - № 11. - С. 687-698.

3. Уваров, Е. Ф. Радиационные эффекты в широкозонных полупроводниках А3В5 / Е. Ф. Уваров. - М. : ЦНИИ «Электроника», 1978. - 77 с.

4. Булярский, С. В. Инновационные методы диагностики наноэлектронных элементов : учебно-методический комплекс / С. В. Булярский. - Ульяновск : УлГУ, 2006. - 93 с.

5. Чернов, И. П. Аномальное воздействие малых доз ионизирующего излучения на металлы и сплавы / И. П. Чернов, А. П. Мамонтов, А. А. Ботаки [и др.] // ФТП. -1984. - Т. 57. - Вып. 1. - С. 56-58.

Булярский Сергей Викторович

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной физики, Ульяновский государственный университет, Заслуженный деятель науки России, член-корреспондент АН Татарстана

E-mail: bsv@ulsu.ru

Ермаков Михаил Сергеевич аспирант, Ульяновский государственный университет

E-mail: bsv@ulsu.ru

Bulyarsky Sergey Viktorovich Doctor of physico-mathematical sciences, professor, head of sub-department of engineering physics, Ulyanovsk State University, Honored Science Worker of the Russian Federation, corresponding member of the Tatarstan Science Academy

Ermakov Mikhail Sergeevich Post graduate student, Ulyanovsk State University

УДК 621.315.592 Булярский, С. В.

Влияние облучения гамма-квантами на свойства ^-«-переходов на основе СаЛ8 / С. В. Булярский, М. С. Ермаков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2009. -№ 3 (11). - С. 133-137.