高能电子辐照p型硅中霍尔效应与磁阻效应的协同研究及其在辐射损伤评估中的应用

本文通过霍尔效应（Hall effect）和磁阻效应（MR）协同分析6 MeV/4 MeV高能电子辐照（fluence 0.4-5×1016 cm?2）p型硅的电学特性，揭示了辐照缺陷（如BiOi/CiOi复合体）对载流子密度和迁移率的温度依赖性影响，为半导体辐射损伤工程（如CERN探测器材料优化）提供关键实验依据。

　　

Highlight

实验细节

采用顶部欧姆接触的MCz硅长条样品（2 mm×6 mm×0.3 mm），在1.5T磁场下同步测量霍尔和磁阻效应（MR）。辐照通过6 MeV/4 MeV电子束（室温≤50°C）实现，通量范围0.4-5×10¹⁶ cm^?2（见图1b）。

预期材料影响

4 MeV/6 MeV电子能量选择基于位移损伤截面（D）研究需求，与CERN的RD50项目标准一致。辐照将诱导硼间隙原子（B_i）与氧间隙原子（O_i）形成BiO_i复合体，导致载流子密度显著变化。

电导率分析

图2显示辐照样品的Arrhenius曲线差异：高剂量（5×10¹⁶ cm^?2）样品在300K以上电导率骤升，归因于CiO_i缺陷的热激活。退火后（350°C/30min），电导率恢复至接近本底水平。

迁移率提取缺陷密度

通过分析100-200K温度区间的迁移率数据，发现散射中心密度与辐照通量呈线性关系（R²>0.98），证实点缺陷主导散射过程。而在<150K时出现类团簇行为，与中子辐照n型硅现象类似。

低温退火结果

4 MeV辐照样品在80°C分步退火后，载流子密度在200K附近出现反常峰值，推测与BiO_i双稳态构型转变有关。MR与霍尔迁移率的分歧提示需联合两种方法评估真实漂移迁移率。

结论

本研究通过多温度霍尔/MR联用技术，首次在p型硅中量化了电子辐照缺陷密度（10¹⁵-10¹⁷ cm^?3范围），为辐射硬化半导体设计提供了关键参数校准方法。