Effets des rayonnements sur les semiconducteurs

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Submitted on 1 Jan 1963

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Effets des rayonnements sur les semiconducteurs

Pierre Baruch

To cite this version:

Pierre Baruch. Effets des rayonnements sur les semiconducteurs. Journal de Physique, 1963, 24 (7),

pp.458-464. �10.1051/jphys:01963002407045800�. �jpa-00205508�

EFFETS DES RAYONNEMENTS SUR LES SEMICONDUCTEURS (1)

Par PIERRE BARUCH,

École Normale Supérieure, Laboratoire de Physique.

Résumé.

²⁰¹⁴

Cette mise

au

point est consacrée

aux

défauts créés par irradiation dans les semi- conducteurs et à leur influence

sur

les propriétés ^de

^ces

corps. Les travaux ^récents ont, ^montré

l’importance des interactions de

ces

défauts

avec

les impuretés ^du cristal,

^avec

^{les autres défauts et}

avec

la population électronique. Ces interactions modifient la structure, la stabilité et les effets des défauts d’irradiation. On montre des exemples de tels effets tirés de l’étude du germanium, ^du

silicium et de composés intermétalliques.

Abstract.

²⁰¹⁴

A review is given of current knowledge about radiation induced defects in semi-

conductors and about their influence

^on

properties of these materials. Recent work has shown the

importance of interactions between these defects and impurities, other defects

or

electron popula-

tion. Such interactions modify ^the structure, stability and effects of radiation defects. Specific examples of such effects

are

discussed, ^{in the}

^case

^of germanium, silicon and intermetallic

com-

pounds.

PHYSIQUE 24, 1963,

Il

a

pu paraître, ^voici quelques années que l’étude de l’effet des rayonnements ^serait plus ^{facile à} entreprendre pour des cristaux semiconducteurs que pour des métaux. Cette vue découlait de diffé- rents caractères des semiconducteurs, ^en particulier

de la grande sensibilité de leurs propriétés ^électro- niques (concentration, ^durée de vie des porteurs libres, propriétés ^de transport) ^aux impuretés ^et

aux défauts de structure, ^{de la} grande ^{variété des}

moyens d’étude possibles (mesures électriques

diverses sur des cristaux ^ou des dispositifs ^tels que diodes et transistors, propriétés optiques, ^réso-

nance, etc...) ^{de la} possibilité ^de disposer ^{avec une} grande ^sûreté de cristaux de perfection ^{et de} pureté déterminées, ^et enfin d’une compréhension poussée de ^leurs propriétés, ^{très étudiées actuel-}

lement [1].

En fait, ^le problème ^de l’irradiation des semi- conducteurs n’a _pas présenté ^la simplicité ^attendue.

Si tout d’abord l’accord a semblé bon entre les résultats expérimentaux ^{et un modèle} théorique,

celui de James et Lark Horovitz [2], ^{des études} plus détaillées n’ont pas permis ^de conserver un

tel modèle simple, peut-être précisément ^{en raison}

du nombre et de la sensibilité des méthodes

employées.

Actuellement, ^{si l’on ne} peut plus compter ^sur

un modèle théorique simple, applicable ^{à une}

variété _{de corps} et de conditions d’étude, ^on peut

chercher à dégager quelques grandes orientations

qui guident ^{les travaux dans ce domaine.}

Tout d’abord, ^{il semble} prouvé ^{que les défauts}

créés par irradiation dans les semiconducteurs ne sont pas

^en

général les défauts ponctuels simples :

lacunes et interstitiels. De récents travaux ^sur la (1) Travail effectué

avec

l’aide d’une subvention de la

Délégation Générale à la Recherche Scientifique ^{et Tech-}

’ nique (Comité d’Électronique).

théorie des déplacements atomiques, ^{de nombreuses} expériences ^sur des cristaux intentionnellement

«

dopés » ^{ont inontré} l’intervention de défauts com-

plexes formés par association : régions ^désordon-

nées [3] ^{créées dans le} Germanium par ^{les neutrons}

rapides, association d’une lacune avec l’oxygène [4, 5], ^le phosphore [5], le lithium [6] ^{ou d’autres}

lacunes [7] ^{dans le} silicium, association de nature

encore inconnue dans le germanium, ^{mais où inter-}

viennent des impuretés chimiques ^{telles que} arsenic,

antimoine [8, 9], interaction avec les défauts déjà

existants (dislocations). ^De telles associations se

manifestent dès que la diffusion permet ^{des mouve-}

ments atomiques, ^{et cela} parfois ^{à basse} tempé-

rature (azote liquide). ^{Un tel} phénomène, ^familier

d’ailleurs dans l’étude des métaux irradiés, explique

la dispersion apparente des résultats expérimen- taux, quand il n’était pas ^tenu compte de ^certaines impuretés résiduelles dans les échantillons. D’autre

part, ^{il semble} même que certains défauts ^com-

plexes (di-lacune par exemple) puissent ^{être créés}

directement par irradiations [7].

Pour ces raisons, ^{il semble} donc que le défaut

simple, ^{lacune ou} interstitiel soit rarement observé

avec une stabilité suffisante, ^sauf peut-être ^au

cours d’irradiations à l’hélium liquide. ^{Dans ces} conditions, ^{il ne semble} pas urgent de résoudre le

problème théorique ^{de la structure} électronique ^de

la lacune ou de l’interstitiel, pour améliorer ^ou

remplacer ^{le modèle de James et} Lark Horovitz.

Cependant ^{il serait} évidemment appréciable ^de pouvoir reconnaître ^{ces défauts} simples quand ^ils

apparaissent, ^{même en faible} quantité.

De telles remarques peuvent maintenant paraître évidentes, ^{surtout à} qui ^{connaît les} problèmes ^ana- logues ^{dans les} métaux, ^{elles ont} représenté ^vers

1959 une étape importante ^(1-d).

-

Une autre notion est apparue ^{comme très} impor-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002407045800

459

tante : l’influence de la charge électrique ^des

défauts sur leur stabilité et leur mobilité. Ce carac-

tère est plus spécifique ^des semiconducteurs, où, contrairement

aux

métaux, la densité électronique représentée par le niveau de Fermi peut ^varier

dans de grandes proportions ^sous l’action de fac- teurs externes.

Suivant la position du niveau de Fermi,

^un

niveau d’énergie, ^{dû à}

^un

^défaut ponctuel ^sera occupé ^{ou non par un} électron, ^{sa stabilité au}

moment même de sa création variera, ^{donnant lieu}

à des taux de création de défauts différents. Or on

a

fréquemment déterminé des positions ^{de niveaux} d’énergie ^{dus à} l’irradiation en étudiant,

^en

^fonc-

tion de la position du niveau de Fermi, ^{la variation}

du taux de disparition ^des porteurs ^libres (1-b). ^La

courbe ainsi tracée présente ^des discontinuités,

dont chacune correspond ^{à un niveau} d’énergie.

Une telle méthode _suppose évidemment _{que le} taux d’introduction des centres responsables ^{de ces}

niveaux est indépendant de la concentration élec-

tronique ^et que seul leur degré d’occupation change. ^On conçoit que, s’il n’en ^est pas ainsi, ^cette

méthode soit en défaut et puisse ^{même faire} appa- raître des défauts inexistants.

Nous verrons plus ^{loin d’autres} exemples ^de

l’effet de la position ^{du niveau de Fermi.}

Enfin puisqu’il ^{a été reconnu} .qu’il ^n’existait guère ^{de modèle} théorique ^{sûr, il faut} poursuivre

des expériences qui permettront ^{de connaître la}

structure à l’échelle atomique ^des modifications créées par irradiation. En plus des méthodes élec-

triques

^«

classiques

^»

dans l’étude des semiconduc- teurs, d’autres méthodes se sont révélées pré-

cieuses : la résonance paramagnétique [5] les pro-

priétés optiques ^ou élasto-optiques [10] ^{ont fourni}

la composition ^{et la} géométrie de défauts dans le

silicium, mais l’outil le plus général ^{est encore}

l’étude des _processus de guérison, c’est-à-dire la détermination des paramètres ^{de diffusion et de dis-} parition des défauts. Les procédés ^sont classiques, quoique rendus délicats par les aspects multiformes des défauts à étudier. D’autres méthodes aident à déterminer les structures cherchées : -. microscopie électronique [11], ^{études aux} rayons ^X [12], ^mesure

de la dilatation de l’échantillon [13], ^de l’énergie interne, ^etc....

Comme il est difficile de présenter, actuellement,

une description ^{unifiée des} phénomènes qui ^nous intéressent, ^nous allons considérer ci-après quelques cas particuliers ^de semiconducteurs parmi ^les plus importants.

^,

Reflets d’irradiation dans le silicium.

^-

Bien _que les études sur ce matériau aiént débuté à une date relativement récente, ^{la structure des défauts dus à} l’irradiation est relativement mieux _connue, car

les méthodes de résonance magnétique ^{ont pu être}

appliquées ^{à ce} problème ^{et ont fourni une} image

très claire.

Les mesures électriques ^{ont montré} l’existence de niveaux localisés dont la position ^{dans la bande}

interdite et le taux d’introduction dépendent ^{de la} présence de certaines impuretés. ^{Il est} remarquable

mais probablement fortuit que la position ^{de ces}

niveaux soit telle que, quelle que ^soit la résistivité initiale du cristal, ^un bombardement à température

ordinaire accroisse toujours ^la résistivité, qui peut

devenir très grande, signifiant que le niveau de

Fermi, ^{à la fin de} l’irradiation, ^{est voisin du milieu}

de la bande interdite.

Dans le cas du bombardement par des électrons

rapides, ^{les centres les} plus importants ^détectés

par ^ces mesures électriques correspondent

^aux

niveaux suivants : (etc ^{bas de la bande} conduction, En haut de la bande de valence).

^°°

1) ^Ec

^-

0,17 ^{eV : ce niveau} n’apparaît. que dans du silicium contenant de l’oxygène [4], ^{avec un}

taux d’introduction faible à 78 oK (10"2 ^{dans le}

cas d’irradiation par des électrons de 1 MeV), plus important (0,16 ^{dans les mêmes} conditions) ^à température ^ordinaire.

En outre une interaction dé ces centres avec des atomes de lithium ajoutés intentionnellement a

été récemment démontrée [6].

2) ^Ec

^-

0,40 ^eV (4,5) qui ^n’est important ^que

si l’échantillon est libre d’oxygène (cristal ^obtenu

par la méthode de la zone flottante), ^{mais dont le}

taux d’introduction dépend ^{de la} température ^{de la}

même f açon que le précédent.

3) ^{Un niveau} près ^de la bande de valence : Ev + 0,27 ^si l’oxygène ^est présent, ^{Ev +} (0,2 ± 0,1) [14] ^{en l’absence} d’oxygène. ^{Le niveau à} Ev + 0,27

n’a _pas le même taux de création _que Ec

^-

0,17,

ce qui indiquerait qu’il n’est pas associé au même centre [15].

Les centres- ci-dessus sont les plus importants, ^ils

sont mis en évidence par ^{les mesures de} densité de

porteurs libres, ^{on les retrouve} dans d’autres expé- riences, par exemple ^{en étudiant} les effets d’irra- diation sur les caractéristiques des diodes Tun- nel [16].

D’autres niveaux apparaissent ^en concentrations

plus faibles, ^sont parfois détectables _par l’absorp-

tion infra-rouge [41], ^la photoconductivité, ^la

recombinaison des porteurs ^en excès ; leurs pro-

priétés ^{sont encore mal connues.} L’effet des neu-

trons rapides ^{est connu moins en} détail, ^{mais on}

retrouve [17] les niveaux signalés ^ci-dessus.

L’étude de la guérison thermique ^montre que les défauts créés à température ^{ordinaire sont stables} jusqu’à ^des températures ^{assez élevées} (environ

150 oc pour Ec°- 0,4, 300 OC pour Ec

^-

0,17)

mais les données sur la- cinétique ^de guérison, ^dans

ce domaine, ^{ne sont} pas très cohérentes.

Par contre, ^la structure de ces défauts a été

remarquablement ^{éclairée en} utilisant la résonance

paramagnétique ^et accessoirement, l’effet de contraintes mécaniques ^sur l’absorption ^infra-

rouge. L’une ^comme l’autre des techniques, ^entre

les mains de l’équipe ^{de General} Electric, ^ont per- mis l’identification des défauts _par l’étude de leurs

symétries [5, 10, 18].

Le niveau Ec

^-

0,17 ^{eV est identifié à l’associa-}

tion d’une lacune avec un atome d’oxygène (cen-

tre A). ^{Dans les} échantillons ^à faible teneur en

oxygène, ^mais dopés ^au phosphore, ^{il fait} place ^au

centre E, combinaison d’une lacune et d’un atome de phosphore substitutionnel, qui correspond ^au

niveau Es

^-

0,4 ^eV. L’apparition ^{de tels centres} complexes par irradiation à la température ^ordi-

naire suppose évidemment que la lacune est suffi- samment mobile _pour pouvoir migrer ^{vers les}

atomes d’impuretés ^{à la} température d’irradiation.

Ce point ^{de vue est confirmé} par ^une irradiation à basse température (20 aK) ^{au cours de} laquelle ^les

centres A ne sont pas créés mais apparaissent par

recuit, ^à partir ^{de 100 OK.}

Plus récemment, ^d’autres centres ont été identi- fiés _par les mêmes méthodes, ^en particulier ^la

lacune double (centres ^{C et} J), formée directement par irradiation [7, 19] ^et semble-t-il, ^{la lacune} simple ^{formée à 40 OK. Des} énergies ^{de liaison et de} migration ^ont pu être mesurées : l’énergie ^{de liaison}

de la lacune double est 1,3 eV, ^son énergie ^de migra-

tion 1,5 eV. La lacune simple ^{a une} énergie ^de migration ^{faible :} 0,33 ^eV dans du silicium du type p et 0,1 ^{eV dans du silicium} n, où elle est d’ailleurs créée avec un rendement plus ^faible [20]. ^{On voit là}

un exemple ^{net de} l’influence de la position ^du

niveau de Fermi sur la stabilité des défauts.

Ces valeurs faibles de l’énergie ^de migration ^des

lacunes permettent ^{bien de rendre} compte ^{de la}

formation dès la température ordinaire, ^{des centres} complexes ^du type ^{A et} E, qui, ^moins mobiles, ^ne disparaîtront qu’à plus ^haute température. ^Par contre, ^{ces valeurs ne} s’accordent _pas avec l’inter-

prétation ^{actuelle des} phénomènes de diffusion par

un mécanisme de lacunes ; ^une énergie ^de migra-

tion de l’ordre de 1 eV est déduite de telles expé- riences ; ^{la mesure de la} mobilité du défaut qui joue ^un rôle dans la diffusion accélérée par irradia- tion fournit aussi une énergie ^de migration ^voisine

de 1 eV [21], et, ^{on ne voit} guère ^{comment la lacune} double, qui ^{a une telle} énergie ^de migration, ^inter.

viendrait dans la diffusion à haute température.

D’autres problèmes ^{existent encore} pour ^le sili- cium : nombre de centres ont été détectés mais ^non

identifiés ; ^{le rôle de} l’interstitiel n’est pas ^encore apparu, il semblerait soit qu’il ^ne soit pas actif

électriquement, ^soit qu’il ait, ^{dès les très basses} températures, ^une grande mobilité ; ^les données

relatives à l’énergie ^de déplacement ^{des atomes} (seuil) ^{sont encore} insuffisantes pour prédire ^con-

venablement les sections efficaces de déplace-

ment.

Effet de l’irradiation sur le germanium. - C’est

sur

ce

matériau que le plus grand nombre de don- nées a été réuni actuellement, ^sans que pour cela

on

ait des idées précises ^{sur la nature} des défauts.

D’une façon générale, ^à température ordinaire,

par bombardement _{par les} rayonnements ^les plus

variés (électrons ^et rayons y, neutrons rapides, deutérons, etc...) le. germanium ^de type n ^{voit sa}

concentration en électrons libres diminuer jusqu’à compensation, puis passe ^au type p, tendant vers une valeur limite de la position ^{du niveau de Fermi.}

Le germanium ^de type p suit une évolution ana-

logue, ^{le niveau de} Fermi tend vers la même valeur limite [22].

’

En même temps, la mobilité et la durée de vie

diminuent, ^en général. Ces variations s’expliquent

par l’existence de niveaux localisés, ^{au moins deux}

dans la moitié supérieure de la bande interdite, ^au

moins un dans la moitié inférieure. C’est l’existence de tels niveaux _que le modèle de James et Lark Horovitz expliquait, ^en considérant les défauts

ponctuels, ^{lacune et} interstitiel, ^{comme des centres} hydrogénoïdes.

Cependant ^{une étude} plus ^{fine montre une} grande

variété de comportement suivant les conditions, ^et

il devient difficile de garder ^{un modèle} unique compatible ^{avec tous les résultats.}

La notion même de niveaux localisés n’est plus

fondamentale dans l’hypothèse ^des régions ^désor-

données qui ^seraient créées par irradiation _par des neutrons rapides, ^et qui, d’après ^{Crawford et Gos-}

sick [23] ^se comporteraient ^{comme des ilôts} isolants, immergés ^{dans une matrice contenant} des défauts

ponctuels.

Certaines _preuves de l’existence de ces zones ont été réunies récemment par l’observation ^au micro- scope électronique [11] ^{ou par certaines mesures de}

mobilité [24].

En se limitant aux irradiations à température

ordinaire _{par des} électrons ou des _{rayons y,} qui ^ne

créent que des défauts ponctuels, ^on peut ^observer

dans le germanium n [25] ^{un niveau à Es}

^-

0,2 eV,

efficace ^comme accepteur, ^{un niveau à} .EP + 0,36,

efficace pour la recombinaison et, probablement

comme accepteur, ^{et des niveaux à .E9 +} 0,17 ^ou Ey + 0,25, agissant essentiellement comme pièges,

et dont la position dépend ^{de la nature de} l’impu-

reté présente (arsenic ^ou antimoine). L’étude de la

cinétique ^de guérison ^{montre aussi la même}

.

influence des impuretés ^{[8] ; . en} particulier, ^une

étape ^{vers 50 OC, sensible aux impuretés présente}

une énergie ^de migration ^{de l’ordre de} 0,8 eV, l’étape suivante, ^{vers 100} OC, correspondrait ^{à une} énergie ^{voisine de 1} eV ; il a d’ailleurs été possible

de mesurer directement la mobilité ^{de ces} défauts [26], ^{les valeurs sont} compatibles ^avec

celles d’une lacune isolée.

Les effets dans le germanium

ⁿ

après irradiation

à 78 OK ou au-dessus ne présentent pas de différence

461

marquée avec ceux obtenus à température ^ordi-

naire car il n’y ^a pas de guérison ^{entre 78 oK et}

300 DK. Cependant, ^{il est à noter} que le germa- nium n ne se convertit _pas au type ^p, quand ^{il est}

irradié à basse température par des ^électrons.

En effet, ^{les résultats sur le} type p ^{sont tout} à fait différents de ceux obtenus sur le type n : ^leur analyse

^ne

fournit pas le même schéma de niveaux,

les sections efficaces de création, ^les cinétiques ^de guérison ^sont différentes ; ^{ceci conduit à} penser que les défauts actifs ne sont pas les mêmes dans les deux _{cas ;} on peut ^{attribuer cette} différence à l’influence de la position ^{du niveau de Fermi.}

Au-dessus de 78 dK, ^il

^a

cependant ^été possible

à Ishino et ses collaborateurs [27], ^de présenter ^un

schéma d’ensemble (fig. 1) ^{où les} différentes étapes

Fie. 1. 2013 Étapes ^{de guérison dans le germanium} d’après Ishino et coll. [27].

sont décrites par des processus de migration ^{et de}

recombinaison des défauts : Les étapes III-p (200 ^°K-400 OK) ^{et III-n} (350 ^oK-400 OK) ^intéres-

seraient l’interstitiel, éventuellement en associa- tion avec les impuretés. L’étape IV-p (au-dessus ^de

420 OK) n’est pas expliquée, l’étape ^IV-n" (4300-

530 DK) correspondrait ^{à une} migration ^{de la}

lacune libré et l’étape ^{V-n à la} dissociation de

paires lacunes-donneurs.

Les résultats des expériences d’irradiation effec- tuées à très basse température (4 ^OK-78 DK) ^sont beaucoup plus complexes :

a) La section efficace de production ^{des défauts}

varie avec la température, ^étant plus ^{faible pour les} températures ^les plus ^basses [28] ^et dans des pro-

portions ^que l’agitation thermique ^{seule ne} peut

pas expliquer ; ^un modèle, ^{dû à Wertheim} [29], ^du potentiel ^{entre la lacune et} l’interstitiel rendrait

compte ^{de cet} effet : le premier ^{maximum corres-} pondant ^{à une} position ^de plus proche voisin serait moins important que ^les suivants ; ^la paire ^lacune-

interstitiel en position ^de plus proches ^voisins

serait métastable, donnant lieu à recombinaison

immédiate, ^si l’énergie d’irradiation

ou

les vibra- tions du réseau sont insuffisantes pour ^assurer la

séparation des éléments de la paire.

b) La section efficace dépend ^du type ^{du cristal} (n ^ou p) ^{tombant à zéro} pour le germanium ^{p ;} dépend ^{de la} concentration électronique ^elle dépend

aussi de l’intensité d’irradiation (irradiation ^en impulsions) [30, 31] ^{ou de l’action} d’agents ^ioni-

sants externes (illumination). ^{Cet ensemble de} phénomènes, étudiés récemment par Klontz ^et Mac Kay [32], s’expliqueraient par le même schéma

que ci-dessus, ^{mais où} la hauteur du premier ^maxi-

mum dépendrait ^{de la} charge électronique ^du

défaut (fin. 2). ^Des expériences ^{sont en cours dans.}

divers laboratoires pour vérifier ^ce schéma.

Fi IG. 2.

^-

Modèle du défaut métastable dans le germanium d’après ^{Klontz et} MacKay [32]. ^{La barrière à la}

^recom-

binaison de la paire lacune-interstitiel passe ^de ER ^à En > E$ quand

^un

électron est piégé par le défaut. Il

en

résulte

une

plus grande stabilité du défaut.

Les étapes ^de guérison, ^{dans le} domaine ^{de tem-} pérature, sont aussi sensibles aux facteurs cités ci-

dessus, ^et pour les mêmes raisons. Les processus

électroniques sont cependant ^ceux qui limitent les vitesses de réactions, ^et donnent lieu à des faibles

énergies d’activation. Néanmoins les étapes ^succes-

sives (I ^et II) peuvent être attribuées à la dispari-

tion de paires lacunes-interstitiel en position ^de premier ^ou de second voisin.

Les résultats cités ci-dessus sont relatifs aux

irradiations par des électrons ou des _y, qui ^ne

créent que des défauts ponctuels, isolés. On peut ^se

demander si l’irradiation _{par des} particules ^char- gées (deutérons) donnera les mêmes effets, ^{ou se} rapprochera plus ^{de l’action des neutrons. Au} _point

de vue électrique, ^les défauts semblent avoir des

propriétés similaires dans.le cas des deutérons et dans celui des électrons. Cependant, ^{les mesures}

de dilatation effectuées par Vook, ^{Simmons et}

Pallium [13, 33] montrent, ^{dans le cas des} deutérons,

un ^effet attribuable à l’existence de groupement ^des

défauts, alors que l’action des électrons ne donne

pas de dilatation mesurable, ^{comme on} pourrait s’y

attendre pour des défauts isolés. Ceci pose la ques- tion intéressante de la distance d’interaction à

partir ^de laquelle ^{des centres}

^ne

peuvent plus ^être

considérés comme isolés

au

point ^{de vue électro-} nique.

Composés intermétalliques.

^-

Les effets d’irra-

r

diation dans les semi-conducteurs composés, ^sont

évidemment plus complexes du fait des multiples configurations de défauts possibles. ^D’autre part,

la technologie ^de

^ces

^matériaux n’est pas ^encore très avancée. Pour ces raisons, ^{on ne} possède ^encore

que peu de connaissances sur les effets des rayon- nements sur ces matériaux.

Cependant les études de seuil de déplacement

ont déjà fourni des résultats intéressants. Par les méthodes électriques classiques ^{on a} pu ^mettre

^en

évidence dans les composés ^du type ^III-V l’appa-

rition de deux seuils successifs correspondant

^au

déplacement ^de chaque type ^d’atome [34, 35]. ^Des

résultats analogues ^{ont été obtenus} dans le sulfure de cadmium _par l’étude des fluorescences dues

aux

différents défauts [36].

Les résultats les plus ^{étendus sont relatifs aux} composés ^{Sbln et} AsGa, qui ^{ont un} comportement

voisin : introduction de centres accepteurs par irra-

diation, étapes de recuit bien marquées, pas d’influence apparente ^des. impuretés.

Dans InSb, ^la guérison procède ^{en 5} étapes [37, 38] ^{entre 80 oK et 320} oR, ^les étapes ^{I et II étant}

attribuées à la recombinaison de paires ^{de défauts}

voisins. Dans AsGa, ^{un travail} analogue [39] ^indi-

que ^un effet de la densité de porteurs ^{libres sur la} cinétique ^de guérison ^{comme dans le} germanium.

L’observation de la dilatation des composés ^{I I I-V} après irradiation par des électrons ^a aussi conduit à des résultats intéressants [13]. ^Contraire-

ment

au

cas de Ge et Si, ^{où ces effets sont inexis-} tants, l’apparition ^{de ces} dilatations serait liée à la

possibilité ^de configurations différentes pour les interstitiels.

Conclusion.

^--

Les exemples précédents ^sont typiques ^des problèmes qui ^se présentent ^dans

l’étude de l’effet des irradiations sur les semi- conducteurs. Certains de ces problèmes, ^{effet des} impuretés ^par exemple, ^se rencontrent aussi dans l’étude des métaux irradiés, d’autres, charge ^et

mobilité des défauts, ^sont plus spécifiques ^des

semiconducteurs. Malheureusement les connais-

sances théoriques ^{sur la structure des défauts sont}

encore très insuffisantes, : ^{on ne sait} guère ^{dans un}

cristal covalent

comme

le germanium

^ou

^{le sili-} cium, prévoir ^les énergies de liaison des défauts simples, ^leur mobilité, ^{ni les} énergies ^minimum

pour créer des déplacements. ^{La structure électro} nique des défauts _{n’est pas} non plus prévisible. ^Il

est donc assez difficile actuellement de fournir des

justifications, ^sinon empiriques, pour les modèles

proposés ^à partir de nombreuses expériences.

Ce problème prend d’ailleurs une importance technique croissante, ^{car des} dispositifs ^électron- niques, employant ^des semiconducteurs (diodes, transistors, etc...) ^sont fréquemment utilisés dans des conditions où des rayonnements ^intenses peu- vent altérer leur fonctionnement. Ces effets peu- vent être expliqués ^en général, par les modifica- tions des matériaux mais posent, par eux-mêmes des questions délicates : pour ^ne prendre qu’un exemple, ^les piles ^{solaires au silicium} (jonctions

n-p photovoltaïques) ^sont moins sensibles au rayon- nement si elles sont constituées par ^une couche diffusée

n sur

un substrat de type p que si elles ^ont la structure opposée, p ^{sur n} [39]. ^{Ce fait est} proba-

blement lié soit à l’interaction des défauts avec les

impuretés, ^{soit à la} position ^{du niveau de Fermi.}

Ces deux facteurs dont nous avons souligné ^{ci- ,}

dessus l’importance, ^{sont encore mal connus. On}

voit donc toute l’importance que l’étude de la structure des défauts pourra avoir ^sur de tels pro- blèmes techniques.

’

DISCUSSION

Question posée par M. PERRIO Gaston, ^{C. E.} A., Saclay.

Énoncé de la question :

1) ^{Y-a-t’il un} effet dû à des différences d’énergie

des particules chargées ?

2) ^Un primaire ^{et la cascade} qui ^le suit, peuvent-

ils

se

comporter différemment quand ^{ils ont été}

créés avec la même énergie, par des ^{neutrons ou} des particules chargées ?

3) ^Peut-on expliquer ^{le fait} que dans le ^cas du

germanium, ^les particules chargées n’ont pas le même effet que les ^neutrons alors que dans le ^cas du silicium elles semblent avoir le même eff et a

Réponse faite par le conférencier :

10 De tels effets sont visibles entre autres, ^à basse température ^{dans le cas} d’irradiation _{par des} électrons d’énergie voisine du seuil (32) : ^{la ciné-} tique ^de guérison peut différer notablement suivant

l’énergie indiquant l’existence de paires ^{dont la} séparation dépend ^de l’énergie ^{de la} particule

incidente.

2) Les effets observés dépendront, ^en plus ^de l’énergie ^du primaire, ^de la distribution spatiale

des chocs primaires. ^L’étude détaillée, ^{au point de}

vue

expérimental n’a pas été entreprise ^{dans les}

semiconducteurs.

3) Ce fait n’est pas expliqué, ^{il est} peut-être ^lié (voir ci-dessus) ^{à la} possibilité de l’existence d’ilôts isolants dans le germanium irradié par des ^neu-

trons, ^ilôts qui ^ne pourraient être très efficaces dans

le silicium.

463

Question posée par M. BERTAUT Erwin Félix,

Grenoble.

Énoncé de la question :

^.

1) ^{Vous avez attribué} les niveaux A et E entre la bande de conduction et de valence dans Si

aux

associations d’impuretés ^{0 et P} respectivement

avec

des lacunes. Y-a-t’il des niveaux d’impuretés analogues ^{dans Ge ?}

2) ⁰

^se

^{trouve dans} l’association Si 04 ^selon

M. Balkanski. Dans Ge on pourrait imaginer Ge 04,

mais aussi Ge 06. Qu’en ^{sait-on ?}

^z

Réponse faite par le conférencier :

1) Des associations de défauts avec des impu-

retés (Arsenic, antimoine) ^{ont été mises}

^en

^évi-

dence par les ^mesures de Curtis [9]. On n’a pas

encore observé, ^{à ma} connaissance, d’association entre lacune et oxygène consécutivement à une

irradiation du germanium.

2) ^Des complexes ^Ge 02 et ^Ge 04, agissant ^comme

donneurs ont été identifiés (Fuller ^et Doleiden,

J. Phys. ^Chem. Solids; 1961, 19, 251), ^{ni Ge} 03,

ni Ge 0. ^{n’ont encore été mis en évidence.}

Question posée par M. QUÉRÉ Yves, ^{C. E.} N., Fontenay-aux-Roses.

Énoncé de la question :

1) Qu’entendez-vous exactement par

^«

^zone désordonnée )) ? Met-on

en

évidence par rayons X,

une amorphisation dans ^{ces zones ?}

.

2) Les valeurs proposées pour les énergies ^de

formation et de mobilité des lacunes simples ^et

donbles dans le sicilium ont-elles été recoupées

par d’autre expériences (diffusion, trempe, etc...) ?

Réponse faite par le con f érencier :

’

1) ^{Les zones isolantes} de Gossick et Crawford [3]

seraient constituées par ^{une zone} de forte densité

de , ^défauts (analogues ^{au « thermal} spike p ^de

dimensions de l’ordre de 100 Á, électriquement ^de typ.e p, entourées par ^une région ^de charge d’espace,

vide de porteurs libres, qui agit

^comme

^{un ilôt iso-} lant, ^de dimensions de l’ordre de 1000 Â. ^{Ce sont}

ces

ilôts isolants qui modifieraient les propriétés électriques ^{du cristal. Ce modèle}

^ne

s’applique qu’au germanium ^de type n, irradié par des ^neu- trons : il faut en effet qu’une grande ^{densité de}

défauts provoque la conversion de n à p (cas ^du germanium) ^et que les ^zones désordonnées aient des dimensions suffisantes (irradiation par des ^neu-

trons). Cependant ^{ces zones} désordonnées ont été détectées

au

moyen de la diffusion X aux petits angles, par Fujita ^{et Gonser} (J. Phys. ^Soc. Jap., 1958, 13, 1068), ^{dans du} germanium irradié par des deutérons : cependant

^ces

^zones n’avaient que 30 z

de rayon ^et n’étaient probablement pas ^assez

grandes pour créer des ^zones de charge d’espace importantes.

D’autre part, Parson, ^{Balluffi et Kohler ont}

observé en microscopie électronique par transmis-

sion, ^{des amas} de défauts dans du germanium

irradié par ^des neutrons [11].

_,

2) ^{On n’a} que très peu de données ^sur la struc- ture des lacunes dans le silicium, ^en particulier pas de dpnnées obtenues par ^des expériences ^de trempe

ou de self-diffusion. Cependant ^{la diffusion des} impuretés ^{dans le cas} substitutionnel, ^{se fait}

^avec

une énergie de l’ordre de 4 eV, ^Si l’on admet une

valeur analogue pour la self-diffusion, ^{il faudrait si} l’énergie ^de migration des lacunes est de 0,3 eV, plus ^{de 3} eV pour créer ^ces lacunes ; ^une telle

valeur serait anormalement élevée.

BIBLIOGRAPHIE [1] Diverses mises

au

point ^ont déjà paru

^{sur ce}

sujet.

Nous renvoyons particulièrement ^à

a) ^{CRAWFORD et GLELAND, dans} Progress in, ^Semi- conductors, ^vol. II, 67-107 (Heywood, Londres, 1957).

b) ^LARK HOROVITZ, dans Semiconductors and Phos-

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^sur

^{les Défauts de} Réseau, 1962 (à paraître).

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Conférence de Kyoto

^sur

^{les Défauts de} Réseau,

1962 (à paraître).

[22] ^{CRAWFORD et} CLELAND, voir références 1a) ^et 1e).

[23] GOSSICK, ^réf. 1d),. ^1214. Conférence de Kyoto

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^les

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in Solids, vol. III (Conférence ^{de Venise}

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^les

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les Défauts de

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Rev., 1959, 113, 72.,

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Semiconductors, Prague 1960, ^309. Conférence de

Kyoto, 1962 (à paraître).

EFFET DES NEUTRONS RAPIDES SUR LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE

DU GERMANIUM ET DU SILICIUM

Par NGUYEN VAN DONG, M. VANDEVYVER et PHAM NGU TUNG,

Service d’Électronique Physique. ^{Centre d’Études} Nucléaires de Saclay. ^{B. P. no} 2, Gif-sur-Yvette (S.-et-O.).

Résumé.

²⁰¹⁴

Des cristaux de Ge et de Si ont été bombardés _{par des} neutrons de fission jusqu’à

des flux intégrés ^{de 1,2} 1018 cin-2.

La conductivité thermique des échantillons

a

été mesurée avant et après irradiation

en

fonction de la température entre 80 °K et 300 oK. Dans tout le domaine de température, la conductivité

thermique décroit par rapport ^à celle mesurée avant irradiation. Les résultats sont interprétés ^à partir ^de l’allure des courbes de la résistivité thermique additionnelle.

Abstraet.

²⁰¹⁴

Germanium and silicon crystals have been irradiated with fission neutrons up ^to integrated ^{fluxes of 1.2}

^x

1018 cm-2.

The thermal conductivity ^{of the} samples has been measured before and after irradiation

as a

function of temperature ^{between 80 °K and 300} °K. In the whole of the temperature range, the thermal conductivity decreases with respect ^{to that} measured before irradiation. The results

are

interpreted ^{from the} shape ^{of the}

^curves

of the additionnal thermal resistivity.

LE JOURNAL DE

PHYSIQUE

^TOME

24,

^JUILLET

1963,

Introduction.

^-

L’étude de la conductivité

thermique ^est susceptible de fournir des renseigne-

ments intéressants sur la nature des défauts intro- duits dans un solide. Cela résulte du _{fait que} les

phonons ^sont dispersés par les défauts ^et que leur mode de dispersion dépend de la nature de ceux-ci.

Dans le domaine des défauts _{créés par} irradiation le premier ^travail expérimental ^{a été} effectué par Berman [1] qui ^{a bombardé des cristaux de} quartz

par des ^neutrons rapides. ^{En étudiant} la résistivité

thermique additionnelle, ^{Berman a} trouvé que la

dispersion ^des phonons ^{est contrôlée aux basses} températures par les défauts de _grosses dimensions et aux hautes températures par les défauts relati- vement isolés.

Dans ce travail, ^nous présentons ^les premiers

résultats obtenus sur le germanium ^et le silicium irradiés _{par des} neutrons rapides ^en mesurant la conductivité thermique ^des échantillons avant et

après irradiation entre la température ^{ambiante et}

celle de l’azote liquide.,

^.