Программа SRIM. 
Расчет формирования равномерных полей облучения протонами с энергиями от 5 до 15 МэВ на циклотроне МГЦ-20

циклотрон протон облучение.

SRIM (the Stopping and Range of Ions in Matter — Остановка и прохождение ионов в веществе) — группа программ, позволяющие рассчитать прохождение ионов (в диапазоне до 2 ГэВ/а. е. м.) в материи и их возможную остановку, используя квантово-механическое рассмотрение ион-атомных взаимодействий (где движущийся атом рассматривается как «ион», а все атомы мишени как «атомы»). Вычисления производятся при помощи статистических алгоритмов, позволяющие иону перемещаться между расчетными столкновениями, а затем усредняемые по результатам столкновения по прошедшему промежутку. Во время столкновение иона и атома происходит экранированное кулоновское взаимодействие, которое включает в себя взаимодействия обмена и корреляции между электронными оболочками. За счёт этого ионы создают электронные возбуждения в атомах-мишенях, которые описываются включением в описание коллективной электронной структуры мишени и межатомной структуры связи.

Модифицирование полупроводников пучками протонов

Модифицирование полупроводниковых материалов, то есть направленное изменение их свойств пучками легких ионов, в частности протонов, является одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся в последние годы физико-технических методов. Интерес к протонам и альфа-частицам обусловлен возможностью получения широкого и контролируемого диапазона глубин модифицированного материала (от 0.1 мкм до 1 мм) и отсутствием после такого облучения сложных радиационных комплексов с высокой температурой отжига. Основными тремя факторами, которые могут оказывать воздействие на изменение свойств полупроводников в результате протонного облучения, являются: 1) радиационное дефектообразование, 2) образование новых примесей в результате ядерных реакций и 3) накопление атомов водорода.

Рассмотрим отдельно некоторые направления радиационного модифицирования.

Радиационное легирование Радиационное легирование — основное направление радиационного модифицирования. Оно осуществляется путем контролируемого введения в полупроводник как дефектов состава (примеси), так и дефектов структуры (вакансия, междоузельный атом и т. д.) полупроводникового материала. Дефекты состава и дефекты структуры оказывают на свойства полупроводников одинаковое влияние. Обычно дефектообразование сопровождается появлением в запрещённой зоне полупроводника локальных энергетических уровней. Дефекты служат поставщиками или ловушками электронов (донорами или акцепторами) либо являются центрами излучательной или безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Контролируемое введение радиационных дефектов в сочетании с последующей термической обработкой позволяет в широких пределах изменять такие электрофизические характекристики полупроводника, как электропроводность, тип проводимости, концентрацию, подвижность и время жизни носителей заряда.

Ионная имплантация Основой технологического комплекса является протонный ускоритель, который облучает кремниевые пластинки протонами.

Технология протонного облучения позволяет создавать в структуре полупроводникового прибора скрытые слои с уменьшенным временем жизни носителей заряда, а также скрытые слои с имплантированными атомами водорода.

Имплантированный водород индуцирует в кремнии «мелкие» центры донорного типа, подобные по своим свойствам атомам традиционных донорных примесей, что позволяет создавать скрытые слои с измененным удельным сопротивлением. Создание таких слоев позволяет значительно улучшить характеристики таких приборов, как высоковольтные ограничители напряжения и динисторы, а также интегрировать эти защитные элементы непосредственно в структуру других полупроводниковых приборов.

Ионно-стимулированные процессы Ионно-стимулированные процессы связаны с облучением при повышенных температурах. Одновременное воздействие двух факторов — радиационного и термического — приводит к формированию условий, необходимых для эффективной реализации, в частности, процессов радиационно-стимулированной диффузии и ионно-лучевого перемешивания.

2. Экспериментальная часть

Установка по облучению мишеней состоит из трёх частей: циклотрона, системы формирования и самой мишени (рис. 6).

Рис. 6. Схема установки по облучению мишеней

Протоны, ускоренные в циклотроне попадают в систему формирования, где из точечный пучка преобразуется в равномерное поле, которое и облучает саму мишень. Циклотрон, используемый в данной установке — МГЦ-20, мишенью является круглая кремниевая пластинка диаметром 10 см. Система формирования состоит из трёх рассеивающих фольг и двух ионопроводов. Главная задача данной работы подобрать их в соответствии с требуемыми условиями: неоднородность поля меньше 10%, максимально возможная плотность тока, разброс по энергиям в диапазоне ±10%. Возможность работы при двух выходных энергиях в 5 МэВ и 8 МэВ. Рассмотрим каждую из составляющих системы формирования отдельно.