半绝缘砷化镓中子嬗变掺杂行为研究

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0.16cm-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74GeAs、74SeAs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(T1/2=61.83h)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；GeAs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14.7MeV中子引起的71Ga(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14MeV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GeAs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、74GeAs、74SeAs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。

目录

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摘要

绪论

第一章中子辐照GaAs掺杂研究中存在的问题

第二章SI-GaAs堆中子(n，γ)反应的嬗变掺杂

第三章SI-GaAs堆快中子的嬗变掺杂

第四章SI-GaAs14MeV中子的宏观截面

结语

致谢