ГЛАВА 2.
МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЛАЗМЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ
2.1. Приготовление образцов для измерений.
Результаты излагаемых ниже исследований получены на образцах германия и кремния, имеющих достаточно высокие подвижности и малые скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда, что является необходимым условием для возникновения в биполярной плазме термодифузионных автосолитонов.
Образцы Ge и Si прямоугольной формы ориентировались вдоль кристаллографических осей <100> и <111> методом дифракции рентгеновских лучей на установке УРС-5 с точностью ?1%. Измерения проводились на образцах n-Ge (легированных сурьмой), p-Ge (легированных галием) с удельным сопротивлением ?=41?43 Ом?см и уровнем легирования Nd ~ 1?1013 см-3 и на образцах p-Si (легированных бором) с удельным сопротивлением ?=3500 Ом?см (Nd ~ 1?1012 см-3). В некоторых измерениях использовались образцы p-Si с удельным сопротивлением 80 Ом?см и p-Ge с ?=30 Ом?см. После резки на пластины слитка Ge или Si, они механически шлифовались на стекле абразивными порошками (шлифовка заканчивалась на порошке М5) и полировались алмазной пастой (заканчивая на ПОМ-40 АСМ-1/0). Образцам придавалась форма параллелепипеда с типичными размерами V=0.5?1?8 мм3. Затем образцы Ge травились полирующим травителем СР-4А (5 частей азотной кислоты, 3 части 48% плавиковой кислоты и три части ледяной уксусной кислоты) 35-45 сек. [101, 102], а образцы p-Si травились в травителе СР-8 (2 части 10% раствора азотной кислоты и одна часть 90% или 48% раствора плавиковой кислоты) 40-45 сек. [101, 102], что давало блестящую полированную поверхность. В торцы образцов вжигались контакты из In+As(3%) для n-Ge (n+-n-контакты), In - для p-Ge (p+-p-контакты) и Al - для
p-Si (p+-p-контакты) [103, 104].
Сплав In+As(3%) для контактов на n-Ge приготавливался из смеси мелко нарезанного In и порошка As, взятых в весовых пропорциях. Смесь засыпали в кварцевую ампулу, которую затем откачивали дифузионным насосом, используя азотную ловушку, до 10-3 мм рт. ст. и запаивали. Затем ампулу помещали в муфельную печь АЕ-20 и выдерживали там при температуре T=750?C в течение 30 мин, после чего ампула медленно остывала до комнатной температуры. Сплав In+As(3%) извлекался из ампулы, раскатывался на вальцах до толщины 0.1 мм и нарезался на прямоугольные пластины размерами
1?0.5 мм2.
Контакты вжигались в торцы образца, имеющие размеры 1.0?0.5 мм2. Перед вжиганием образцы и материал для контактов промывались спиртом. Образцы с контактами помещались в специальный графитовый держатель, в котором пружинки из вольфрамовой проволоки обеспечивали удержание образцов с контактами во время вжигания. Вжигание производилось в вакууме на установке ВУП-5М. Графитовый держатель помещался внутри кварцевой печки. Температура в печке контролировалась, предварительно откалиброванной термопарой [105], расположенной рядом с образцом. Термопара из сплава хромель-копель калибровалась в диапазоне температур от 100 ?С до 800 ?С с точностью ?1.5 ?С и совпадала с литературными данными [106]. Внутренний обьем колпака установки ВУП-5М откачивался до 8?10-6 мм рт. ст. Внутренний обьем печки, в области расположения графического держателя вместе с образцами, нагревался со скоростью 3 ?С/сек. Вжигание проводилось при температуре 460 ?С для Ge и 750 ?С для p-Si, колебания температуры в печке не превышали 5 ?С. Образцы быстро (~ за 3-5 мин.) нагревались и при заданной температуре выдерживались 10 мин. [104, 107]. Поскольку, в результате термической обработки сильно изменяется величина времени жизни неосновных носителей, а в германии наступает термоконверсия [108], то образцы охлаждали медленно (менее чем 4 ?С/мин) в вакууме в течение 2.5-3 часов до комнатной температуры и затем извлекали из печки. Для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации образцы Ge травились в водном растворе 30% H2O2 в течение 10 - 30 сек. C целью ускорения процесса травления раствор подогревался до температуры кипения [107, 109]. После окончания травления образцы промывались дистиллированной водой. Перед установкой в измерительную головку все образцы промывались спиртом, а некоторые образцы Ge подтравливались в 30% растворе H2O2. Качество контактов проверялось измерением сопротивления образца в обоих направлениях. Также, для проверки контактов измерялись вольт-амперные характеристики неосвещенных образцов при полях до 300 В/см. Контакты считались удовлетворительными, если вольт-амперные характеристики образцов, при смене полярности электрического напряжения, отличались не более чем на 10 %.
2.2. Зондовая головка для измерения распределения электрического поля в образце.
Для измерений распределения напряженности электрического поля вдоль образца и пространственного перераспределения концентрации ЭДП использовалась головка с 26-ю контактными вольфрамовыми зондами. Измерительная головка разработана сотрудником отдела електроники твердого тела Институту физики НАН Украины Винославским М.Н. и изготовлена под его руководством.
Образец устанавливался в измерительную многозондовую контактную головку, где для исследования распределения напряженности электрического поля использовались прижимные потенциальные зонды. Вместе с образцом измерительная головка помещалась в сосуд Дьюара с жидким азотом. Она позволяла измерять осциллограммы локальных напряженностей полей (E(t)ij)=U(t)ij/lij на разных участках вдоль образца. Затем на основе этих осциллограмм электрического поля строились распределения поля вдоль образца Е(х) в выбранные моменты времени.
Для измерений распределения электрического поля в кристаллах Ge применялась головка с проволочными зондами из фосфористой бронзы диаметром 200 мкм, которые давали хороший контакт с образцом. Для измерений на образцах Si использовалась головка с зондами из вольфрамовой проволки диаметром 100 мкм. Чтобы получить хороший контакт зонд-образец, зонды затачивались: вольфрамовые электрохимическим способом, а б