Особливості анізотропії розсіяння електронів у кристалах Si і Ge n-типу, що виникають під впливом направленої пружної деформації, термовідпалів і ядерної радіації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

інститут фізики напівпровідників

УДК 621. 315. 592

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Особливості анізотропії розсіяння електронів у кристалах Si і Ge n-типу, що виникають під впливом направленої пружної деформації, термовідпалів і ядерної радіації

01. 04. 07 ѕ фізика твердого тіла

Гайдар Галина Петрівна

Київ - 2001

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

анізотропія рухливість деформація кристал

Актуальність теми. Надзвичайно широке використання сучасної мікро- і оптоелектроніки у вирішальних для господарства України галузях науки і

техніки знаходиться в повній залежності від досягнень в області напівпровідникового матеріалознавства.

Пов'язуючи енергетику майбутнього в першу чергу з енергією атомного ядра, не слід також забувати, що і в прецизійних ядерно-фізичних експеримен-тах, а також в практиці сучасної реакторної індустрії, напівпровідникові детек-тори ядерних випромінювань конкурентноздатної заміни не мають.

Приймаючи до уваги названі вище обставини і широке застосування напівпровідникових приладів в полях іонізуючого випромінювання (поряд з ефективним використанням методів радіаційної фізики в технології виробництва дискретних напівпровідникових приладів та інтегральних схем), практично необхідним і актуальним було (на час початку роботи над темою даної дисертації) і зараз залишається розширення досліджень механізмів утворення, кінетики накопичення і умов стабільності радіаційних дефектів (РД) у напівпровідниках з врахуванням їх впливу на анізотропію розсіяння електронів, а також електрофізичні та інші властивості цих кристалів.

Незважаючи на те, що в напрямку вивчення механізмів генерації, накопичення (чи трансформації) точкових РД за останні 15 - 20 років отримано надзвичайно багато наукових результатів, - що складають як пізнавальну, так і велику практичну цінність, - деякі принципово важливі аспекти цієї проблеми ще й зараз не можна вважати в достатній мірі з'ясованими. Сюди, наприклад, можна віднести коло питань, пов'язаних з особливостями домішково-дефектної (і міждефектної) взаємодії, що під впливом зовнішніх або внутрішніх чинників знаходять свій прояв навіть при температурах, близьких до 4. 2 К; залежність механізмів утворення РД від умов опромінення; вплив безпосереднього оточення і зарядового стану РД на їх стабільність і т. ін. Саме тому дослідження, які проводяться в цій галузі фізики твердого тіла, були і залишаються актуальними як у пізнавальному плані, так і з точки зору їх використання у відповідних областях техніки та сучасних технологій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Задачі роботи і її зміст відповідають схваленим Президією НАН України планам наукових досліджень ІФ НАН, НЦ ІЯД і ІФН НАН України, на базі і в лабораторіях яких ця робота виконувалася у відповідності з завданнями, які випливали з наступних тем:

“Дослідження процесів утворення і трансформації радіаційних дефектів в алмазоподібних кристалах з контрольованими структурними недосконалостями і домішковим складом ” (1984-1988 рр. ), номер держреєстрації 01. 84. 0085115;

“Дослідження радіаційних та термічних дефектів з сильною електронно-коливальною взаємодією в об'ємі та приповерхневих шарах неметалічних твердих тіл ” (1989-1993 рр. ), номер держреєстрації 01900029477;

“Комплексні дослідження впливу міждефектної взаємодії в кристалах Si, Ge, GaAs, кадмій - ртуть - телур (КРТ) і марганець - ртуть - телур (МРТ) на кінетику електронних процесів у термодинамічно рівноважних і нерівноважних умовах” (1995-1999 рр. ), номер держреєстрації 0195U24512;

“Розробка і дослідження властивостей детекторів ядерних випромінювань на основі нейтронно - трансмутаційно - легованого кремнію” (1983 - 1987 рр. ), номер держреєстрації 01. 83. 005082;

“Дослідження фізичних процесів в напівпровідниках, опромінених різними видами ядерної радіації (1985-1989 рр. ), номер держреєстрації 01. 85. 0046647.

Об'єктом досліджень була кінетика електронних процесів, а їх предметом - кристали Si і Ge n-типу.

Метою роботи було комплексне дослідження особливостей анізотропії розсіяння і ролі РД у формуванні електрофізичних властивостей кремнію і германію n-типу при різному рівні їх легування і з врахуванням наявності залишкових домішок технологічного походження (типу атомів кисню чи вуглецю) в умовах методично передбаченого і наперед заданого зовнішнього впливу (типу електричних і магнітних полів, пружної направленої деформації і т. ін. ).

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні (найбільш суттєві) задачі:

- виготовити зразки необхідної кристалографічної орієнтації і потрібного ступеня легування для опромінення гама-радіацією (60Со) з послідуючим вивченням зміни їх властивостей (під впливом названого опромінення) в порів-нянні з неопроміненими (контрольними) зразками, практично тотожними за своїми основними параметрами (ne, m, r та ін. ) з досліджуваними до їх опромінення;

- для адаптації широковживаних методів досліджень кінетики електронних процесів, з метою одержання надійної інформації про визначальні за своїм значенням кінетичні коефіцієнти, які пов'язані з електропровідністю, ефектом Холла та іншими ефектами в кристалах, необхідно було переконатися в тому, що навіть в умовах сильної направленої пружної деформації (НПД) такі фундаментальні характеристики кристалів, як константи деформаційних потен-ціалів, навіть в гама-опромінених кристалах залишаються практично незмінними або зазнають лише незначних змін;

- на основі вимірів питомої електропровідності і ефекту Холла необхідно було провести вивчення змін рухливості носіїв струму під впливом гама-опромінення і пружної направленої деформації досліджуваних кристалів, а також

- дослідити концентраційну залежність параметра анізотропії рухливості = ¦(ne є NI) і параметра анізотропії термо-е. р. с. за-хоплення електронів фононами =¦(ne є NI) для широкого інтервалу концентрацій 1. 8Ч1012 Ј ne є NI Ј 4. 6Ч1017 см-3, що відповідало визначенню ролі змішаного розсіяння у формуванні вказаних параметрів;

- вивчити зміни параметра анізотропії рухливості K в n-Si з точковими дефектами під впливом високого гідростатичного тиску;

- дослідити вплив гама-опромінення і рівня вихідної компенсації на магнітопольові залежності магнітоопору і коефіцієнта Холла в n-Si, а також залежність компонент тензора Холла від домішкового розсіяння в направлено - деформованих і компенсованих, але не опромінених кристалах.

З метою підвищення надійності й однозначності в інтерпретації отриманих результатів зразки для дослідів вибиралися, як правило, бездислокаційними ( за даними металографічних досліджень). Це, крім усього іншого, дозволяло проводити досліди з пўєзоопором і пўєзотермо-е. р. с. в досить широкому діапазоні механічних напружень стиску Х, не порушуючи бажаної відтворюваності результатів ( тобто, не зумовлюючи незворотних змін в обўємі досліджуваних кристалів).

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в межах єдиного фізично обгрунтованого циклу експериментальних досліджень за допомогою широковживаних і, отже, добре апробованих методів кінетики електронного транспорту в технічно-актуальних багатодолинних напівпровідниках Si і Ge n-типу в широкому інтервалі легуючих домішок детально (і, практично, на одних і тих же кристалах) досліджено вплив радіаційного опромінення, термовідпалів і НПД на електрофізичні властивості названих об'єктів.

Аналіз цих результатів, що проводився, як правило, на основі співставлення дослідних даних з висновками теорії анізотропного розсіяння, забезпечив отримання фізично обгрунтованої трактовки тих змін, які відбувалися в напівпровідникових кристалах під дією використаних в роботі засобів ефективного зовнішнього впливу (гама-опромінення, термовідпали і т. ін. ). Отримані таким чином результати збагатили існуючі уявлення про зв'язки особливостей електронного транспорту (анізотропії розсіяння) з трансформацією точкових дефектів у кристалах, що відбувається в результаті домішково-дефектної взаємодії як під впливом гама-опромінення кристалів, так і при комбінованому впливі на них опромінення з відповідними термовідпалами.

Пізнавальне та практичне значення отриманих результатів:

- виявлені кількісні та якісні зміни найбільш важливих параметрів кристалів кремнію і германію n-типу, в залежності від їх радіаційної обробки та комбінованого впливу опромінення з термовідпалами, які виконувалися у відповідності з наперед заданими програмами;

- встановлено механізми, які забезпечують зміну параметрів (основних характеристик досліджуваних зразків) в часі, що необхідно враховувати для отримання підвищеної радіаційної стійкості кристалів при створенні твердотільних приладів на їх основі;

- перевірена дієвість висновків теорії анізотропного розсіяння у випадку кристалів, збагачених точковими дефектами радіаційного (РД) та кисневого (ТД) походження;

- експериментально доведена відмінність параметра анізотропії рухливостівідв n-Si, що виникає в результаті зміни поперечної ефективної маси носіїв струму m^ = m^(X) під впливом характерної для Х//J//б110с деформації зсуву, відсутньої (в n-Si) при Х//J//б100с;

- обгрунтована необхідність прийняття до уваги зміни форми ізоенергетичного еліпсоїду в умовах прояву деформації зсуву при вимірах параметра анізотропії термо-е. р. с. захоплення електронів фононами ( ) в n-Si та інших багатодолинних напівпровідниках, енергетичний мінімум с-зони яких не співпадає з краєм зони Бріллюена.

Встановлено,

- що за зниження параметра анізотропії рухливості n-Ge з підвищенням внеску домішкового розсіяння носіїв струму повністю відповідальним є зниження компоненти m^;

- виявлена підвищена чутливість парного ефекту Холла (пропорційного Н2) до гама-опромінення в порівнянні з ефектом магнітоопору, що необхідно враховувати при розробці відповідних датчиків магнітного поля і різних індикаторних систем на їх основі.

Матеріал дисертації може бути використаний також для читання спецкурсу з фізики напівпровідників і напівпровідникового матеріалознавства чи з електрофізичних властивостей твердого тіла.

Особистий внесок здобувача. Постановку завдань та обговорення результатів здобувач проводила разом з науковим керівником, проявляючи при цьому необхідну ініціативу. Самостійно проводила експериментальні дослід-ження, обробку дослідних даних, а також знаходила необхідні фізичні обгрунтування отриманих результатів шляхом їх співставлення з висновками існуючої теорії, приймала безпосередню участь у написанні статей, що складають основу дисертації, а також представляла результати робіт на ряді наукових конференцій і семінарів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися вперше на Республіканській конференції молодих учених (Київ, жовтень 1985 р. ), а пізніше - на 1-й Міжреспубліканській конференції республік Середньої Азії та Казахстану (Самарканд, 1991 р. ), на деяких щорічних робочих семінарах в Новосибірську (1986-1992 рр. ) та на Всесоюзних семінарах з радіаційної фізики в Києві (1985-1992 рр. ), а також на VІІІ-му Міжнародному форумі і школі з термоелектрики (Чернівці, 1998 р. ).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи знайшли своє повне відображення в 12 опублікованих роботах, список яких подано у кінці реферату. Основні результати дисертації уже ввійшли у відповідні розділи монографій, опублікованих Баранським П. І. (з співавторами) в 1992 і 2000 рр.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (разом з оригінальними роботами) загальним числом 172 та 4-х додатків. Робота викладена на 145 сторінках друкованого тексту. Ілюстрована 26 рисунками і 7 таблицями, які займають окремі сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета та основні задачі, які необхідно було розв'язати для досягнення поставленої мети, відмічено зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами досліджень, що схвалювалися Президією НАН України. Обгрунтовано вибір об'єктів і методів досліджень, викладено наукову новизну і практичну цінність роботи, приведено дані про апробацію результатів досліджень та структуру дисертації.

Перший розділ присвячено літературному огляду джерел (переважно наукових статей та монографій) з наукового напрямку роботи. Особлива увага зосереджена на аналізі основних особливостей і специфічних характеристик найбільш типових радіаційних дефектів (РД), які мають вирішальне значення у формуванні електрофізичних властивостей Si і Ge n-типу при різних ступенях їх гама-опромінення ( 60Со) і легування з врахуванням, звичайно в необхідних випадках, наявності в їх об'ємі не тільки легуючих, але також і залишкових атомів кисню чи вуглецю. Проведений аналіз показав, що значна за величиною рухливість власних дефектів (компонент пар Френкеля) в широкому діапазоні температур (включаючи й гелієві) зумовлює їх високу активність у взаємодії з легуючими і залишковими домішками (а також із структурними дефектами типу дислокацій), що приводить до появи в опромінених ковалентних кристалах електрично - активних комплексів (у тому числі й мультистабільних), інформація про структуру і хімічний склад яких ще й зараз далеко не повна. Цими обставинами, в першу чергу, був зумовлений і вибір теми дисертації.

У другому розділі приведено опис методики і техніки експерименту, які були використані при виконанні даної роботи. На відповідно підготовлених зразках (з врахуванням необхідності вибору кристалографічної орієнтації) проводилися виміри питомого опору, п'єзоопору, ефекту Холла і диференційної термо-е. р. с. , а також їх концентраційних, польових і температурних залежностей. Увага зосереджувалася на виявленні впливу на досліджувані зразки як дози проникаючої радіації (гама-, нейтронного чи протонного опромінення), так і термовідпалів, що проводилися при різних температурах у вакуумі чи в атмосфері інертних газів. Зазнавали термовідпалів як опромінені, так і неопромінені зразки, які використовувалися для проведення порівняльних дослідів.

При вимірах магнітоопору і ефекту Холла зверталась особлива увага на виключення впливу магнітного гістерезису при змінах напруженості магнітного поля Н за величиною і напрямком. Виміри в слабких магнітних полях (), коли залишковий магнетизм ( при проведенні вимірів у магнітному полі електромагніту) міг проявитися найбільш виразно, виконувалися в магнітному полі соленоїда. Значення величин напруженості магнітного поля в останньому випадку контролювалися за значеннями величини струму в замкнутому колі соленоїда, який вимірювати з необхідною точністю не складало ніяких труднощів.

У роботі приділялась необхідна увага оцінкам похибок у проведених експериментах, причому аналізу були піддані не тільки методичні та інструментальні, але також і ті похибки, які можуть бути зумовлені недосконалістю (неідеальністю) обўєктів досліджень.

На відміну від методів вимірювання ефекту Холла і термо-е. р. с. , які широко і досить детально висвітлені в спеціалізованих монографіях і наукових публікаціях періодичних видань, методи вимірювання пўєзоопору ( як і пўєзотермо-е. р. с. - при заміні електричного струму в зразку на тепловий потік ) у науковій літературі представлені далеко не повно. Саме тому в роботі приведено принцип дії установки, що забезпечує проведення вимірів змін питомого опору і термо-е. р. с. під впливом пружної направленої деформації стиску. Подано також коротку інформацію про деякі особливості підготовки зразків для різних досліджень.

У третьому розділі приведено результати вивчення впливу технологічних дефектів і дефектів радіаційного походження на формування деяких фундаментальних параметрів Si i Ge n-типу. Зокрема, проведено визначення константи деформаційного потенціалу зсуву в трансмутаційно - легованих кристалах кремнію, яке показало, що нейтронна обробка високочистих кристалів Si, яка забезпечує зниження r300 К від ~250 до 15ё20 ОмЧсм, супроводжується незначними (але помітними) змінами Xu (від 9. 3 до 8. 4 еВ) і пружних сталих (с11 - с12) (ще менш значних) за рахунок радіаційних порушень кристалічної ґратки, які в процесі технологічного відпалу ( Т”750 ё800° С, t = 2 години ) не усуваються.

Експериментально виявлена і фізично обгрунтована наявність зміни ефективної маси m^ в n-Si під впливом направленої пружної деформації зсуву. Одержану в експериментах по вивченню п'єзоопору відмінність Кб110с від Кб100с виявилося можливим пояснити як результат зміни m^ = m^(X) при наявності деформації зсуву (відсутньої при Х//J//б100с і характерної для Х// J//б110с), що пов'язано (у випадку n-Si) з деяким відхиленням форми ізоенергетичного еліпсоїду (в умовах деформації зсуву) від еліпсоїду обертання. Цей результат, що повністю відповідає раніше виявленому іншими авторами в дослідах з циклотронним резонансом ( в області гелієвих температур), було одержано в нашій роботі при температурі рідкого азоту в гранично простих умовах вивчення ефекту п'єзоопору. На відміну від методу циклотронного резонансу, запропонований нами метод придатний для роботи не тільки з гранично вільними від домішок, а також і з легованими кристалами.

Виявлено зв'язок особливостей у визначенні параметра анізотропії термо-е. р. с. електрон-фононного захоплення з проявом деформації зсуву в n-Si і сформульовано рекомендації, що забезпечують коректне визначення параметра М навіть за умов наявності деформації зсуву.

Експериментально досліджені концентраційні залежності a0 = a0(ne) і aҐ = aҐ(ne) (рис. 1), а також параметра анізотропії термо-е. р. с. захоплення електронів фононами М = М(ne) і параметра анізотропії рухливості К = К(ne) (рис. 2) в n-Ge. З'ясовані причини зниження параметра анізотропії рухливості з ростом концентрації носіїв струму (в n-Ge). Залежність параметра анізотропії

рухливості від концентрації носіїв струму повністю зумовлюється, як видно з рис. 3, концентраційними змінами .

При вивченні ефекту п'єзоопору виявлена також незначна зміна анізотропії розсіяння носіїв струму в n-кремнії з точковими дефектами під впливом високого гідростатичного тиску.

Проведені нами досліди показали, що високий гідростатичний ( або направлений) тиск може змінювати умови в локальному оточенні точкових

дефектів або дефектів більш складної будови ( у вигляді домішково-дефектних чи кисневих комплексів) тільки за умови, що стан цих дефектів по відношенню до гратки не є рівноважним. Якщо ж стан названих дефектів у вихідному положенні досліджуваних кристалів близький до рівноважного, то ні направлений, ні гідростатичний тиск, ні їх комбінація цього стану не змінюють і, у відповідності до цього, в кристалі не виникають передумови, які могли б проявити себе у вигляді помітних відхилень від вихідної величини розсіяння носіїв струму (або змін в анізотропії цього розсіяння) під впливом направленої чи гідростатичної пружної деформації.

Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень впливу гама-опромінення на магнітоопір, звичайний і парний (~Н2 ) ефекти Холла.

Показано, що швидкість спаду рухливості m з підвищенням дози опромінення Ф для кристалів n-Si з термодонорами (отриманими шляхом термовідпалів зразків при 450° С на протязі 2 чи 4 годин) виявилася більш стрімкою, ніж для вихідного зразка з атомарно-диспергованою домішкою кисню в його об'ємі. Тобто, рухливість m в зразках з атомарно-диспергованою домішкою кисню є менш “вразливою” по відношенню до дії опромінення, ніж у відпалених зразках з ТД. Характерно, що ця особливість зразків (з атомарно-диспергованим киснем і киснем, що входить до складу ТД) фактично не знаходить свого прояву в дослідах з магнітоопором, що вимірювався на відповідних зразках за умов Н ^ J.

При вивченні впливу гама-опромінення на парний (~ Н2) ефект Холла в монокристалах n-Ge було показано, що зумовлювані гама-радіацією зміни коефіцієнта (яким визначається парний ефект Холла) при заданих дозах опромінення (і інших рівних умовах) суттєво перевищують відповідні зміни, які спостерігаються при вимірах магнітоопору . Характерно, що напрям радіаційних змін (збільшення чи зменшення ) суттєво залежить від того, в якій області (слабких, помірних чи сильних) магнітних полів вимірюється парний ефект Холла: в слабких магнітних полях з підвищенням дози опромінення коефіцієнт зростає, в той час як в магнітних полях високої напруженості Н - коефіцієнт зменшується.

Підвищену чутливість парного ефекту Холла до гама-опромінення (в порівнянні з ефектом магнітоопору) необхідно враховувати при розробці відповідних датчиків магнітного поля і різних індикаторних систем на їх основі.

При вивченні впливу термовідпалів і гама-опромінення на зміну питомого опору монокристалів германію n-типу в магнітному полі і без нього було показано, що в області слабких магнітних полів (де і ~ H2 ) спостерігається кореляція змін рухливості зі змінами магнітоопору під впливом гама-опромінення не тільки там, де опромінення приводить до звичного зниження рухливості ( криві 1 і 1ў рис. 4), але також і там, де радіаційна обробка (яка, звичайно, знижує структурну досконалість гратки) забезпечує зростання рухливості носіїв струму ( див. криві 2 і 2ў рис. 4 та дані для рухливості, приведені в підписі до нього).

У термічно необроблених зразках, тобто в зразках без комплексів кисневого походження (зразки групи І), використана в наших дослідах доза опромінення (Ф=1. 23Ч108 Р) приводила (як видно з рис. 4) до звичного зниження магнітоопору ( криві 1, 1ў). Радіаційно стимульоване зростання рухливості носіїв струму проявлялося лише в дослідах зі зразками, які зазнавали впливу відміченої термообробки (зразки групи ІІ). Це свідчить про суттєву роль для ефекту радіаційно-стимульованого підвищення рухливості носіїв струму кисневих комплексів, які приводять до виникнення локальних механічних напружень. Це дозволяє висловити припущення, що такі напруження кристалічної гратки створюють сприятливі умови для виникнення в об'ємі кристалів точкових дефектів акцепторного типу поблизу і безпосередньо в місцях цих напружень, концентрація яких у кристалах групи ІІ набагато вища, ніж у вихідних кристалах, в об'ємі яких залишкова домішка кисню була атомарно-диспергованою.

у всіх випадках вимірювали в умовах J//H//[001].

a - залежність ¦(Х), де Х - механічне напруження стиску при умові X//J//[111]. В термообробленому кристалі (група ІІ) рухливість носіїв струму до і після гама-опромінення складала 15900 і 17100 см2 /ВЧс (криві 2 і 2ў).

Можливе, загалом, й інше пояснення підвищення рухливості під впливом гама-опромінення кристалів, збагачених (додатково до легуючої домішки) термодонорами кисневого походження. Адже при введенні термодонорів в об'єм кристала він стає більш неоднорідним внаслідок значної (вихідної) неоднорідності у розподілі атомів кисню по об'єму кристала. При неоднорідному розподілі легуючих і залишкових домішок у кристалі існує висока ймовірність утворення домішкових кластерів. В умовах гама-опромінення такого кристалу, завдяки захопленню рухливих (від'ємно заряджених) вакансій на іонні залишки, що входять до складу кластерів, ефективність розсіяння електронів на новоутворених асоціатах буде дещо заниженою. Цим і буде зумовлюватися деяке зростання рухливості носіїв струму, а отже, і магнітоопору в умовах (див. криві 2 і 2ў рис. 4). У кристалах же без термодонорів та ж сама доза гама-опромінення приводить до зменшення рухливості і магнітоопору ( криві 1 і 1ў рис. 4).

До аналогічних змін в рухливості носіїв струму приводить і гама-опромінення кристалів n-Si, що характеризуються різним рівнем компенсації, а отже, і різним рівнем однорідності в розподілі легуючих і залишкових домішок (криві 1 і 2 рис. 5).

Залежності питомого опору r від дози g-опромінення Ф, які були виміряні при 77. 4 К на зразках n-Si 1 і 2 з різним рівнем компенсації:

1 - ne = 4. 73Ч1013 см-3; =0. 83;

2 - ne = 7. 19Ч1013 см-3; =0;

У п'ятому розділі вивчені особливості кінетики електронних процесів у протонно- чи гама-опромінених і компенсованих кристалах кремнію. Зокрема, в широкому температурному інтервалі (45 ё 292 К) досліджена рухливість носіїв струму (дірок) в компенсованих (до значень ) кристалах кремнію методом протонного опромінення, а також проведені експерименти, націлені на вияв впливу гама-опромінення і рівня вихідної компенсації на польові залежності магнітоопору і коефіцієнта Холла в n-Si.

Досліджена також залежність компонент тензора Холла від домішкового розсіяння в направлено-деформованих і компенсованих кристалах n-Si. При цьому показано, що домішкове розсіяння, яке визначається сумарною концентрацією домішкових центрів NІ =NД + Na в кристалі, суттєво впливає на параметр анізотропії рухливості , а отже, і на формування пов'язаних з цим параметром компонент тензора Холла, тензора питомого опору, тензора магнітоопору та інших кінетичних коефіцієнтів.

ВИСНОВКИ

Основну задачу роботи складало одержання нової наукової інформації про особливості анізотропії розсіяння і виявлення ролі радіаційних дефектів у формуванні електрофізичних властивостей кремнію і германію n-типу при різному рівні їх легування і з врахуванням наявності фонових домішок технологічного походження ( в першу чергу атомів кисню) при зміні найбільш важливих факторів зовнішнього впливу ( температури, електричних і магнітних полів, а також направленої пружної деформації).

Приведені в дисертації узагальнення отриманої наукової інформації про специфіку змін в анізотропії розсіяння електронів у кристалах Sі и Ge n-типу під впливом названих вище чинників, що виявляються при експериментальному вивченні найбільш важливих кінетичних коефіцієнтів ( коефіцієнтів Холла і диференційної термо-е. р. с. , магнітоопору та ін. ), а також виконані ( в межах можливостей) співставлення з існуючою теорією ( теорією анізотропного розсіяння) дозволили прийти до наступних висновків:

1. Усі без винятку особливості питомого опору r, зміни r під впливом направленої пружної деформації , магнітоопору і і коефіцієнтів Холла [звичайного (RH) і парного ( )], що спостерігаються в гама-опромінених кристалах n-Si і n-Ge (різного рівня легування і компенсації, але відомої кристалографічної орієнтації) мають безпосередній зв'язок з анізотропією розсіяння ( ). Остання суттєво впливає на формування усіх кінетичних коефіцієнтів, що вимірюються в умовах змішаного чи переважно домішкового розсіяння в слабко збуреному тепловому полі (чи за умови, коли grad T є 0), а також при наявності довільних за величиною (неквантуючих) магнітних полів або направлених пружних деформацій.

2. Експериментально доведено, що гама-опромінення компенсованого n-Si ( з @ 0. 83 ) приводить до зростання змін коефіцієнта Холла з підвищенням напруженості магнітного поля Н, тоді як ідентичне гама-опромі-нення практично некомпенсованих у вихідному стані кристалів приводить до зниження величини змін RH з Н. Це пов'язано з залежністю холл-фактора від змін в анізотропії розсіяння, які не є тотожними (за умови адекватного гама-опромінення) для компенсованих і практично некомпенсованих кристалів.

3. На додаток до відомого методу трансмутаційного легування високочистих кристалів Si домішкою донорного типу (шляхом ядерного перетворення атомів Si в атоми фосфору при опроміненні тепловими нейтронами), експериментально доведено, що опромінення вихідних кристалів Si протонами (з Е = 20ё25 МеВ) приводить до введення в їх об'єм домішок Al (акцептор) і Мg (донор) в пропорції, що забезпечує кремнію, в кінцевому рахунку, провідність р-типу при практично сталому ступені компенсації @ 0. 4.

4. Показано, що навіть у більш пошкодженій кристалічній гратці (при помірному опроміненні Si не протонами, а тепловими нейтронами) радіаційні зміни деформаційного потенціалу зсуву Xu залишаються практично невідчутними або зазнають лише незначних ( ” 10% ) змін.

5. У результаті проведеного комплексу досліджень розв'язана ( в заданому об'ємі) практично важлива задача, пов'язана з виявленням особливостей анізотропії розсіяння ( які є результатом міждомішкової чи міждефектної взаємодії), що суттєво змінюються під впливом направленої пружної деформації, термовідпалів і ядерної радіації в багатодолинних напівпровідниках n-Si і n-Ge за умов різного рівня їх легування і компенсації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІї

1. Гайдар Г. П. , Гирий В. А. , Шаховцов В. И. и др. Определение сдвиговой константы деформационного потенциала XXu в трансмутационно- легированных кристаллах кремния // ФТП. -1986. -Т. 20, №6. - С. 1107-1109.

2. Гайдар Г. П. , Литовченко П. Г. Перетворення ізоенергетичних еліпсоїдів обертання п-кремнію в трьохосьові під впливом направленої пружної деформації зсуву // Доповіді НАН України. -1998. - №1 - С. 121-123.

3. Baranskii P. I. , Gaidar G. P. A relation between the peculiarities of determination of drag thermopower anisotropy parameter and the band structure of multi-valley semiconductors // Journ. of Тhеrmое1есtr. - 1998. - №3. - Р. 56-60.

4. Баранський П. І. , Відалко Є. М. , Гайдар Г. П. Зміна анізотропії розсіяння носіїв струму в n-кремнії з точковими дефектами під впливом високого гідростатичного тиску // Доповіді НАН України. -1995. - № 6. - С. 66-68.

5. Гайдар Г. П. , Савяк В. В. , Симоненко Ю. В. Концентрационная зависимость параметра анизотропии термоэдс увлечения в n-германии // ФТП. - 1986. - Т. 20, №6. - С. 1137-1139.

6. Баранський П. І. , Венгер Є. Ф. , Гайдар Г. П. 3"ясування причин зниження параметра анізотропії в n-германії при підвищеному внеску домішкового розсіяння // Доповіді НАН України. -1999. - №9. - С. 84-86.

7. Видалко Е. Н. , Гайдар Г. П. , Гирий В. А. Подвижность носителей тока в гамма-облученных кристаллах кремния // Изв. АН СССР, Неорг. материалы. -1986. - Т. 22, №4. - C. 533-535.

8. Vidalko E. N. , Gaidar G. P. , Shakhovtsov V. I. et al. Mobility of Majority Carriers in gg-Irradiated Oxygen-Containing Crystals of n-Si and n-Ge // Phys. Stat. Sol. (a). - 1986. - V. 97. -P. 565-570.

9. Гайдар Г. П. , Гирий В. А. , Шаховцов В. И. и др. Влияние термоотжига и гамма-облучения на изменение удельного сопротивления n-германия в магнитном поле // ФТП. - 1986. - Т. 20, №11. - С. 2109-2111.

10. Баранський П. І. , Гайдар Г. П. Вплив гама-опромінення і рівня вихідної компенсації на польові залежності магнітоопору і коефіцієнта Холла в n-кремнії // Доповіді НАН України. - 1994. - №9. - С. 88-90.

11. Гайдар Г. П. , Дмитренко Н. Н. , Дубар Л. В. и др. Возможность трансмутационного легирования кремния посредством протонного облучения // ФТП. - 1986. - Т. 20, №5. - С. 960-962.

12. Гайдар Г. П. , Литовченко П. Г. Залежність компонент тензора Холла від доміш-кового розсіяння в направлено-деформованих і компенсованих кристалах n-Si // Доповіді НАН України. - 1997. -№ 1. - С. 95-98.

АНОТАЦІЯ

Гайдар Г. П. Особливості анізотропії розсіяння електронів у кристалах Si і Ge n-типу, що виникають під впливом направленої пружної деформації, термовідпалів і ядерної радіації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01. 04. 07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню актуальних наукових задач, пов'язаних із впливом радіаційного опромінення, термовідпалів і направленої пружної деформації на електрофізичні властивості Si і Ge n-типу.

Експериментально доведено, що такі фундаментальні характеристики кристалів n-Si, як константи деформаційних потенціалів в трансмутаційно-легованих кристалах, залишаються практично незмінними або зазнають лише незначних (~10% ) змін.

Доведено, що за зниження параметра анізотропії рухливості в n- Ge з підвищенням внеску домішкового розсіяння носіїв струму повністю відповідальним є зниження компоненти поперечної рухливості m^.

Продемонстровано безпосередній звўязок особливостей питомого опору, п'єзоопору, коефіцієнта Холла та ін. , які спостерігаються в гама-опромінених n-Si і n-Ge (різного рівня легування і компенсації), з анізотропією розсіяння. Встановлено суттєвий вплив анізотропії розсіяння на формування кінетичних коефіцієнтів, що вимірюються в умовах змішаного (фононне + домішкове) чи переважно домішкового розсіяння в слабко збуреному тепловому полі, а також при наявності довільних за величиною (неквантуючих) магнітних полів чи направлених пружних деформацій.

Практично всі розділи цієї роботи повўязані з радіаційними дефектами, а також із взаємодією між ними в монокристалах n-Si і n-Ge.

Ключові слова: напівпровідник, кінетичні властивості, електрон-фо-нонна взаємодія, магнітоопір, ядерна радіація.

Гайдар Г. П. Особенности анизотропии рассеяния электронов в кристаллах Si и Ge n-типа, возникающие под влиянием направленной упругой деформации, термоотжигов и ядерной радиации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-матема-тических наук по специальности 01. 04. 07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию актуальных задач, связанных с влиянием радиационного облучения, термоотжигов и направленной упругой деформации на электрофизические свойства Si и Ge n -типа.

Экспериментально доказано, что такие фундаментальные характеристики кристаллов n-Si, как константы деформационных потенциалов в трансмутационно- легированных кристаллах остаются практически неизменными либо испытывают лишь незначительные (~10% ) изменения.

Доказано, что снижение параметра анизотропии подвижности в n- Ge с повышением вклада примесного рассеяния носителей тока полностью определяется снижением компоненты поперечной подвижности m^.

Установлено, что гамма-облучение n-Si ( с @ 0. 83 ) приводит к возрастанию изменений коэффициента Холла с повышением напряженности магнитного поля H, тогда как идентичное гамма-облучение практически некомпенсированных в исходном состоянии кристаллов приводит к снижению величины изменения коэффициента Холла с Н. Это связано с зависимостью холл-фактора от изменений в анизотропии рассеяния, которые не являются тождественными ( в условиях адекватного гамма-облучения) для компенсированных и практически некомпенсированных в исходном состоянии кристаллов.

В дополнение к известному методу трансмутационного легирования кристаллов кремния высокого уровня чистоты примесью донорного типа [посредством ядерного превращения атомов кремния в атомы фосфора в соответствии с реакцией ], установлено, что облучение исходных кристаллов кремния протонами (с энергией ”20ё25 МэВ ) приводит к введению в их объем примесей Al (акцептор) и Mg (донор) в пропорции, обеспечивающей в конечном счете проводимость р-типа при практически неизменной степени компенсации = 0. 4.

Получены экспериментальные доказательства отличия параметра анизотропии подвижности от в n-Si, которое возникает в результате изменения поперечной эффективной массы носителей тока под влиянием характерной для Х//J//б110с деформации сдвига, отсутствующей (в n-Si) при Х//J//б100с.

Приведены обоснования необходимости принятия во внимание изменения формы изоэнергетического эллипсоида в условиях проявления деформации сдвига при измерениях параметра анизотропии термо-э. д. с. увлечения электронов фононами ( ) в n-Si и иных многодолинных полупроводниках, энергетический минимум с-зоны которых не совпадает с границей зонны Бриллюэна.

Получены экспериментальные доказательства того, что высокое гидростатическое (или направленное) давление (или их комбинация) может изменять условия в локальном окружении точечных дефектов или дефектов более сложного строения ( в виде кислородно-примесных комплексов) только при условии, что состояние этих дефектов по отношению к кристаллической решетке не является равновесным (т. е. не характеризуется абсолютным минимумом энергии), а соответствует квазиравновесному.

Продемонстрирована непосредственная связь особенностей удельного сопротивления, пьезосопротивления, коэффициента Холла, наблюдаемых в гамма-облученных или термообработанных кристаллах n-Si и n-Ge (разного уровня легирования и компенсации), с анизотропией рассеяния. Установлено существенное влияние анизотропии рассеяния на формирование кинетических коэффициентов, которые измеряются в условиях смешанного (фононное + примесное) или преимущественно примесного рассеяния в слабо возмущенном тепловом поле, а также при наличии произвольных по величине (но не квантующих) магнитных полей или же направленных упругих деформаций.

Практически все разделы этой работы имеют дело с радиационными или иными дефектами, а также со взаимосвязью ( или взаимодействием) между ними в монокристаллах n-Si и n-Ge.

Ключевые слова: полупроводник, кинетические свойства, электрон-фо-нонное взаимодействие, магнитосопротивление, ядерная радиация.

Gaidar G. P. The features of the scattering anisotropy in the n-Si and n-Ge crystals which appear under the influence of the axial elastic deformation, heat treatment and the nuclear irradiation. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree in Physics and Mathematics in the speciality 01. 04. 07 - Solid State Physics. - Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to complex research of actual scientific problems which connected with influence of nuclear irradiation, heat treatment and axial elastic deformation on the electrophysical properties of Si and Ge n-type.

It is proved experimentally that

- fundamental characteristics of Si crystals such as deformation potentials remain practically unchanged or vary slight (within~10% ) in transmutationally doped n-Si;

- the decrease of transversal component of mobility m^ is responsible for lowering of parameter anisotropy of mobility in n- Ge with increasing of impurity scattering contribution;

- the features of resistivity, piezoresistance, Hall coefficient etc. observed in gamma-irradiated as well as thermal treated n-Si and n-Ge ( with various doping and compensation levels) are connected directly with scattering anisotropy. The latter influences considerably on the kinetic coefficients formation measured under conditions of mixed (phonon + impurity) and preferentially impurity scattering in a weak perturbed heat field, either in arbitrary (but not quantising) magnetic field, or axial elastic deformation.

Nearly all parts of this work deal with radiation defects and relations (or interactions) among them in n-Si and n-Ge monocrystals.

Key words: semiconductor, kinetic properties, electron-phonon interaction, magneto-resistance, nuclear irradiation.

анізотропія рухливість деформація кристал

Размещено на Allbest.ru