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Submitted on 1 Jan 1963
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Effets de l’irradiation par des protons sur les propriétés du silicium
A. Authier, P. Lallemand, J.C. Pfister
To cite this version:
A. Authier, P. Lallemand, J.C. Pfister. Effets de l’irradiation par des protons sur les propriétés du
silicium. Journal de Physique, 1963, 24 (7), pp.467-470. �10.1051/jphys:01963002407046700�. �jpa-
00205510�
EFFETS DE L’IRRADIATION PAR DES PROTONS SUR LES PROPRIÉTÉS DU SILICIUM
Par A. AUTHIER,
Laboratoire de Minéralogie-Cristallographie, Sorbonne,
et P. LALLEMAND, J. C. PFISTER,
Laboratoire de Physique, École Normale Supérieure.
Résumé.
2014Des études précédentes [1], [2] ont été faites sur l’accélération de la diffusion dans le silicium sous l’action de l’irradiation par des protons à haute température, mise en évidence par le mouvement d’une jonction n-p. La méthode de Lang a été utilisée pour observer les défauts créés. La perturbation du réseau peut s’étendre à toute l’épaisseur du cristal. Elle disparaît si on
enlève la région où ont été créés les défauts, située à 10 03BC. de la surface, profondeur de pénétration
des protons.
Abstract,
2014Previous studies [1], [2] have been made of the diffusion enhancement in high temperature proton irradiated silicon crystals, revealed by the displacement of an n-p junction.
Lang’s method has been made use of to study the defects created by irradiation. The whole thick-
ness of the crystal may be perturbed. The perturbation disappears after etching away of the region
where the defects have been created, 10 03BC from the surface (depth of penetration of the protons).
PHYSIQUE 24, 1964,
1. Introduction.
-Des études précédents [1]
ont montré que l’irradiation à température élevée
par des protons d’énergie voisine de 1 Mev a une influence sur le coefficient de diffusion des impu- retés, dans le silicium. Pour l’observer, on crée une jonction n-p à une distance de la surface légère-
ment supérieure à la profondeur de pénétration des protons. Le déplacement de la jonction sous l’action
de l’irradiation permet de mettre en évidence
l’accélération de la diffusion d’impuretés électri- quement actives (P, B, Ga, ...) Ce résultat s’inter-
prète assez bien en considérant un mécanisme de diffusion substitutionnelle par l’intermédiaire de lacunes: On a rendu compte [2] de la variation de la diffusion avec la température et du rôle des
dislocations comme pièges à lacunes.
L’importance des défauts créés pendant l’irra-
diation est très grande. En effet, la densité locale des défauts peut être considérable. On peut mon-
trer [3] qu’un proton de 1 MeV est à l’origine en
moyenne de 37 déplacements le long de son par- cours, égal à 15 (1.. Sur ces 37 déplacements, 15 sont répartis sur les douze premiers microns de son par-
cours (chocs par interaction coulombienne) et 22
sont concentrés dans les trois derniers microns
(chocs de sphères dures). La densité de défauts atteint dans cette région la sursaturation et il est
possible qu’ils précipitent en amas ou forment des
boucles de dislocations. Sous cette nouvelle forme,
les défauts pourraient jouer un rôle dans l’accrois- sement de la diffusion. Il est connu en effet que les coefficients de diffusion des impuretés dans le sili- cium sont sensibles à la présence de dislocations [4].
Deux méthodes ont été utilisées pour mettre en
évidence les défauts. L’une, l’observation en
lumière infrarouge d’échantillons marqués au cuivre, n’a pas été sensible aux défauts créés par l’irradiation. L’autre, au contraire, a été très sen-
sible : c’est l’observation à l’aide des rayons X par la méthode de Lang [5], [6] qui e.st non destruc-
tive et est un excellent « révélateur » de faibles désorientations du réseau.
2. Méthode de Lang.
-Un faisceau de rayons X issu d’un foyer F aussi ponctuel que possible frappe un cristal réglé dans les conditions de
Bragg pour le montage par transmission (fig. 1).
Une faible partie du faisceau subit des phénomènes
d’interférence à l’intérieur du cristal et donne deux -faisceaux émergents Rh et Ro dans lesquels
on peut observer des franges d’interférences [7], [8]. La réflexion n’a lieu que pour un domaine
angulaire très étroit (quelques secondes d’arc).
La partie la plus importante du faisceau direct, D, qui n’a pas subi de phénomènes d’interférences,
traverse le cristal en subissant simplement l’absorp-
tion photoélectrique normale qui est faible dans
notre cas.
Si, dans une certaine région du cristal, les plans
réticulaires sont légèrement désorientés, les phéno-
mènes d’interférence subis par les rayons X sont modifiés ou même supprimés, la propagation des
rayons X est altérée et, dans la trace des faisceaux Rh et Ro, on voit une image, appelée image dyna- mique [9], [10].
En revanche, lorsque la région perturbée se
trouve sur le trajet du faisceau direct, les plans
désorientés pourront réfléchir une partie de ce fais-
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002407046700
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ceau direct, si la désorientation n’est pas supé-
rieure à la divergence du faisceau (l’ dans notre cas). Les régions qui réfléchissent le plus sont celles
où le gradient des désorientations est le plus fort.
On obtient ainsi dans le faisceau réfléchi Rh une
image i dont la distance h’ au bord du faisceau
permet de calculer la distance h du défaut à la face du cristal (fig. 1). Pour cette raison, on dit
FIG. 1.
-Schéma du montage.
F : source de rayons X ; f1: fente limitant la divergence
du faisceau ; C : cristal ; p : plans réticulaires ; d : région désorientée ; h : distance du défaut à la face de sortie ;
D : faisceau direct ; Ro : faisceau émergent dans la direc-
tion transmise ; Rh : faisceau émergent dans la direction réfléchie ; r : faisceau réfléchi par le défaut d ; P : plaque photographique ; i : image du défaut sur la plaque pho- tographique ; h’ : distance de l’image au bord du fais-
ceau
-lorsque ’plaque et cristal sont immobiles, on appelle section la trace du faisceau
-f2 : fente arrêtant les faisceaux D et Ro ; T : direction de la translation
-lorsque plaque et cristal subissent un mouvement de translation simultanée, on appelle topographie l’image
obtenue sur la plaque.
"que la trace du faisceau réfléchi sur la plaque photo- graphique, représente une section du cristal. Pour obtenir la’ carte, ou topographie, des régions per- turbées dans tout le cristal, on fait une translation simultanée du cristal et de’la plaque photographique.
Ce que la méthode permet de voir, ce ne sont pas les défauts eux-mêmes, mais les désorientations du réseau provoquée par ces défauts. Étant donnée
une ligne de dislocation, par exemple, la zône qui
est à l’origine due l’image a un diamètre de 2 y à 4 y
environ et est celle où les désorientations sont de l’ordre de + 30" d’arc. Ceci donne la limitation
théorique du pouvoir de résolution ; il faut lui
ajouter un pouvoir de résolution instrumental de 3 à 5 y suivant les conditions.
3. Résultats.
-Nous avons pu ainsi observer de très fortes désorientations induites dans le cris- tal par les défauts créés sous l’irradiation avec des protons. La figure 2 montre la topographie obtenue
avec un cristal de silicium dont la surface avait été
irradiée le long de bandes de largeur 1 mm environ
et régulièrement espacées. Elles ont reçu une dose
de environ 2 X 1018 protons de 700 KeV par cm2 à une température de 8000. La profondeur de pénétration des protons est 10 y environ. Les zones
irradiées réfléchissent fortement les rayons X, et
l’on peut voir sur une section [11] que la région perturbée s’étend à toute l’épaisseur du cristal
(400 (1.).
,Il est possible de montrer que les contraintes observées sont essentiellement élastiques : si on enlève, par attaque chimique, les défauts créés, les
contraintes élastiques disparaissent, le cristal
redevient parfait. En observant les topographies prises après plusieurs attaques chimiques succes- sives, nous avons vérifié que la région où ont été
créés les défauts est bien située dans une couche
FIG. 2a.
-Topographie d’un cristal de silicium irradié avec
des protons (dose : 2 x 1018/cm2 ; 700 keV ; 800 OC).
I : régions irradiées, réfléchisssant fortement les rayons X ; les fines franges f de chaque côté des bandes irradiées sont des franges d’épaisseur correspondant à
une plus faible intensité du faisceau de protons sur les
bords et à une plus faible épaisseur de cristal perturbé ; épaisseur maximum perturbée : 400 y (égale à l’épaisseur
du cristal).
a : figures en forme d’anneau situées à une profondeur de 15 à 17 y.
FIG. 2b.
-Coupe du cristal faisant apparaître le biseau ; 1 : début du biseau ; 2 : intersection du plan
contenant les défauts avec le biseau ; (en trait plein) ;
3 : intersection du plan contenant les anneaux avec le
biseau (en traits pointillés).
mince à une distance de la surface comprise entre
5 et 10 fl. Un biseau avait été taillé, après irradia- tion, le long d’un bord du cristal, perpendiculaire-
ment aux bandes irradiées. L’extrémité de chaque
zone irradiée était ainsi supprimée et l’on peut
constater sur la figure 2 que le cristal est bien redevenu parfait là où été enlevée la zône à forte concentration de défauts. 1
Les défauts eux-mêmes sont en trop forte densité pour que l’on puisse résoudre les effets dus à chacun d’eux individuellement. Ce ne sont vraisemblable- ment pas des dislocations formant un réseau à mailles serrées mais de petites boucles ou de petits
amas de défauts ponctuels (centres accepteurs ?)
dont les dimensions sont inférieures au pouvoir de
résolution (5 à 10 u).
On peut remarquer- sur la figure 2 des petits
anneaux de diamètre 20 à 30 fl et dont nous
n’avons pu déterminer la nature exacte. Ils sont situés à une profondeur 3 à 5 y plus grande que la
couche à forte concentration de défauts. Ils sont
peut-être liés à l’existence de centres donneurs qui
semblent se trouver au même endroit.
L’importance des contraintes élastiques obser-
vées dépend des conditions d’irradiation. Dans.le
cas d’un autre échantillon irradié à plus faible dose, 0,6 X 1018 protons de 750 keV par cm2, et à plus
haute température (9000), les contraintes ne
s’étendent que jusqu’à une profondeur de 100 fl
(1) On peut rapprocher ces effets de ceux observés par
Renninger [12] : contraintes élastiques induites par une
.
