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半绝缘砷化镓中子嬗变掺杂行为研究

作　者: 王吉山
导　师: 苏桐龄
学　校: 兰州大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 中子嬗变掺杂半绝缘GaAs 反应堆中子 14 MeV快中子宏观截面杂质转换系数
分类号: O571.5
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

半导体材料的中子嬗变掺杂是中子物理与技术在半导体材料改性中的实际应用。它是通过中子引起的原子核嬗变掺入杂质,杂质浓度便于控制,产生的杂质及杂质缺陷均匀性好,因此被视为非常有用的半导体材料掺杂工艺。论文简述了中子嬗变掺杂Si的核反应原理、比较了Si与GaAs半导体材料（器件）的基本性质:介绍了GaAs中子嬗变掺杂的国内外研究现状,归纳了研究中存在的问题:系统讨论了SI-GaAs的堆中子（n,γ）反应嬗变掺杂行为、堆快中子的嬗变掺杂行为、14MeV快中子的嬗变掺杂。获得了SI-GaAs（n,γ）反应嬗变杂质转换系数（k）,与样品辐照位置的有效中子温度、超热中子比、核素及其相应热中子截面、超热中子共振积分之间的一般函数关系;将中子核反应宏观截面引入杂质浓度的计算之中,找到杂质转换系数与宏观截面之间的关系,获得了⁷⁰Ge、⁷²Ge、⁷⁶Se、⁷⁶Ge和⁷⁰Zn各类杂质浓度的计算公式;认为掺杂转换系数（k）,在不同反应堆不同辐照条件下,不是一个约等于0.16 cm^-1的定值;在现行普遍采用的（n,γ）反应嬗变杂质浓度计算方法中,存在三方面物理机制上的缺陷:一是遗漏了⁷¹Ga（n,γ）^72mGa反应截面的贡献,二是忽视了超热中子与三核素共振积分的贡献,三是没有考虑样品辐照处有效中子温度对每个核反应有效截面的影响。测量了SI-GaAs反应堆快中子⁷⁵As（n,2n）⁷⁴As的反应率及⁷⁴Ge_As、⁷⁴Se_As杂质缺陷浓度,指出反应堆快中子与SI-GaAs中的⁶⁹Ga、⁷¹Ga及⁷⁵As可能发生（n,2n）、（n,p）、（n,α）、（n,n’α）等核反应。研究发现快中子嬗变掺杂增加了Zn金属元素的相关核素⁶⁶Zn、⁶⁷Zn、⁶⁸Zn,增加了⁶⁵Cu核素,反应生成核⁶⁷Cu的半衰期(T_1/2=61.83 h)较长,一定时间内也呈现Cu的性质;杂质Ge的生成,不仅来自Ga相关核素⁶⁹Ga、⁶⁹Ga的快中子嬗变,而且还来自⁷⁵As的⁷⁵As（n,2n）⁷⁴As、⁷⁵As（n,α）^72m+gGa快中子嬗变。我们认为,Cu存在于快中子辐照的SI-GaAs材料中:Ge_As杂质缺陷的形成源自相关核的快中子核反应;快中子辐照SI-GaAs产生的金属等离子体共振现象,很可能是由于快中子嬗变产生的Cu、Zn在晶体中形成的杂质复合振动结构造成的。提出了中子宏观截面测量原理和方法。测量了SI-GaAs样品由13.5、14.1及14.7 MeV中子引起的⁷¹ Ga（n,2n）⁷⁰Ga、⁶⁹Ga（n,γ）⁷⁰Ga反应生成杂质⁷⁰Ge的宏观截面。测量了由13.5、14.1、14.5及14.7MeV中子引起的⁷⁵As（n,α）^72m+gGa、⁷¹Ga（n,γ）^72m+gGa反应生成杂质⁷²Ge的宏观截面;⁷⁵As（n,2n）⁷⁴As反应生成杂质⁷⁴Ge、⁷⁴Se的宏观截面;⁷⁵As（n,γ）⁷⁶As反应生成杂质⁷⁶Se的宏观截面。利用兰州大学已有的⁶⁹Ga（n,2n）⁶⁸Ga、⁷¹Ga（n,n,α）⁶⁷Cu反应截面值和⁶⁹Ga（n,α）⁶⁶Cu、⁷¹Ga（n,α）⁶⁸Cu及⁶⁹Ga（n,n’α）⁶⁵Cu反应的国际核数据评价值,分别计算了生成杂质⁶⁶Zn、⁶⁷Zn、⁶⁸Zn及⁶⁵Cu的宏观截面。获得了14 MeV中子辐照SI-GaAs总杂质转换系数的范围值为36.901～46.241(10^-3cm^-1);Ge、Se、Zn及Cu杂质转换系数的范围值分别为:19.450—25.035、6.497—7.644、10.937—13.531及0.020—0.031(10^-3cm^-1),其比例约为:（3～3.3）:1:（1.7～1.8）:（0.003～0.004）。本工作解决了存在已久的SI-GaAs堆中子（n,γ）反应嬗变掺杂的浓度计算问题;解决了人们一直认为快中子对SI-GaAs材料（或器件）仅造成辐照损伤,而未掺入杂质的认识问题;解决了快中子辐照SI-GaAs是否存在Cu杂质和Ge_As的形成机理问题:找到了快中子辐照GaAs产生的类Ge金属区域现象和金属等离子体共振现象的原因。如果说中子核反应及生成核衰变机制的详细讨论,是为了寻找理论上的证据,那么SI-GaAs反应堆快中子⁷⁵As（n,2n）⁷⁴As反应、⁷⁴Ge_As、⁷⁴Se_As杂质缺陷浓度的测量及14MeV中子相关中子宏观截面数据的获取,为SI-GaAs快中子嬗变掺杂提供了有力的实验证据。期望我们的结果对SI-GaAs中子嬗变掺杂、GaAs探测器性能研究,对GaAs辐照工艺中的辐照条件及中子预辐照参数的选取等,产生积极的影响。

全文目录

摘要  5-8
绪论  8-14
  一、半导体硅的中子嬗变掺杂  8-11
  二、GaAs半导体材料的基本性质  11-13
  参考文献  13-14
第一章中子辐照GaAs掺杂研究中存在的问题  14-28
  一、国外研究现状  14-17
  二、国内近期研究现状  17-19
  三、中子辐照GaAs嬗变掺杂研究中存在的问题  19-25
    1 中子辐照GaAs嬗变掺杂原理及杂质浓度的计算  19
    2 中子辐照GaAs嬗变杂质种类  19-20
    3 快中子辐照SI-GaAs是否掺入了Cu杂质及GeAs的形成  20-23
    4 14MeV中子辐照SI-GaAs  23-25
  参考文献  25-28
第二章 SI-GaAs堆中子(n，γ)反应的嬗变掺杂  28-49
  §2.1 SI-GaAs反应堆中子(n，γ)反应机制  28-38
    1 反应堆中子谱  28
    2 中子核反应截面与有效中子截面  28-33
    3 SI-GaAs反应堆中子(n，γ)反应及生成核的衰变  33-38
  §2.2 SI-GaAs反应堆中子(n，γ)反应掺杂浓度计算  38-44
    1 宏观截面与掺杂转换系数  38-40
    2 SI-GaAs反应堆中子(n，γ)反应嬗变掺杂浓度计算  40-44
  §2.3 ~(70)Ga、~(72)Ga及~(76)As生成核的次级(n，γ)反应机制  44-46
    1 ~(70)Ga的(n，γ)反应机制  44
    2 ~(72)Ga的(n，γ)反应机制  44-45
    3 ~(76)As的(n，γ)反应机制  45-46
  §2.4 小结  46-47
  参考文献  47-49
第三章 SI-GaAs堆快中子的嬗变掺杂  49-69
  §3.1 SI-GaAs堆快中子~(75)As(n，2n)~(74)As反应的嬗变掺杂浓度测量  49-55
    1 实验过程  49-52
    2 杂质浓度计算  52-54
    3.结果与讨论  54-55
  3.2 SI-GaAs堆快中子核反应及生成核的衰变机制  55-63
  3.3 SI-GaAs堆快中子反应掺杂与杂质缺陷  63-66
  3.4小结  66-67
  参考文献  67-69
第四章 SI-GaAs 14 MeV中子的宏观截面  69-96
  4.1 宏观截面测量原理及意义  69-73
  4.2 样品辐照与γ放射性测量  73-75
  4.3 生成锗和硒杂质的核反应宏观截面测量  75-84
  4.4 生成锌、铜杂质的核反应宏观截面计算  84-86
  4.5 锗、硒、锌及铜杂质转换系数及其浓度  86-93
  4.6 小结  93-94
  参考文献  94-96
结语  96-98
致谢  98

半绝缘砷化镓中子嬗变掺杂行为研究

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