Смещение атомов при облучении нейтронами

Хотя воздействие нейтронов на ПП и ИС не характерно в условиях космического пространства, все же целесообразно рассмотреть физические процессы в полупроводниковых материалах при нейтронном облучении. Тем более что в настоящее время при испытаниях ПП и ИС на стойкость к воздействию радиационных факторов КП зачастую вместо облучения электронами и протонами проводится облучение гамма-квантами (набирается ионизационная составляющая поглощенной дозы) и нейтронами (набирается доза структурных повреждений).

Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, он рассеивается непосредственно на ядрах атомов кристалла-мишени. В зависимости от энергии нейтрона и массы ядра мишени рассеяние может быть упругим или неупругим.

Упругое рассеяние нейтронов наиболее вероятно при их энергии Е ³ 300 эВ. При этом энергия, передаваемая первично смещенному атому определяется выражениями (1.6)–(1.8). Вследствие высокой проникающей способности быстрых нейтронов в веществах со средним атомным весом можно считать, что их рассеяние изотропно. В этом случае средняя энергия, передаваемая атому при упругом рассеянии будет равна

. (1.13)

В действительности быстрые нейтроны рассеиваются предпочтительнее в направлении своего распространения, и для более точного определения средней энергии, передаваемой выбитому атому, в выражение (1.13) переписывается в виде [3]

, (1.14)

где f — поправочный множитель, учитывающий анизотропию рассеяния быстрых нейтронов (для веществ со средним атомным весом и энергии нейтронов 1–2 МэВ величина f составляет 0,6–0,85 [3]).

Нейтроны, испускаемые при делении изотопа ²³⁵U, имеют спектр энергий от ~ 0,5 до 10 МэВ, при этом средняя энергия нейтронов составляет порядка 1,5 МэВ. При таких значениях энергии нейтронов можно считать, что имеют место только упругие столкновения. Поперечное сечение упругих столкновений, приводящих к смещениям, для нейтронов спектра деления очень слабо зависит от энергии нейтронов и для большинства полупроводниковых материалов составляет (2–3)×10^–24 см².

При облучении полупроводниковых материалов нейтронами спектра деления средняя энергия, передаваемая выбитому атому, значительно превосходит пороговую энергию образования смещений. Вследствие этого при нейтронном облучении первично выбитые атомы образуют каскады дополнительных смещений, в результате чего в облучаемом кристалле образуются более сложные структурные дефекты, например, области разупорядочения.

Следует отметить, что в реальных условиях реакторного облучения энергетический спектр нейтронов может сильно отличаться от спектра деления в зависимости от характера замедлителя, помещенного между облучаемым объектом и тепловыделяющими элементами реактора [3]. Наличие замедлителей трансформирует спектр деления в достаточно широкий энергетический спектр от тепловых нейтронов (~ 0,025 эВ) до значений энергий быстрых нейтронов спектра деления. Это может существенно (до 10 раз) уменьшить значения максимальных и средних энергий, передаваемых атомам при облучении в реакторе по сравнению с облучением нейтронами спектра деления.