ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ .................................................... 6
Глава I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕОДНОРОДНО ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБРАЗОВАНИЕ СОБСТВЕННЫХ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ . . II
§1. Основные свойства неоднородно легированных полупроводников .............................................II
I. Энергетическая структура неоднородно легированных полупроводников................................II
1.1. Хаотическое распределение принеси ......... II
а) слабое легирование, слабая компенсация ... II
б) слабое легирование, сильная компенсация ... 14
в) сильное легирование, слабая компенсация ... 15
г) сильное легирование, сильная компенсация . . 17
1.2. Нестатические (обусловленные технологией)
флуктуации концентрации примеси ............. 18
а) модель квазиючечных скоплений......................18
б) модель Госсика - протяженные скопления ... 21
2. Теория эффективной среды (ТЭС) ............. 24
2.1. Электропроводность ............................. 24
2.2. Эффект Холла.....................................25
2.3. Подвижность......................................25
3. Аномалии в подвижности...............................26
4. Фотопроводимость полупроводников со скоплениями компенсирующих электрически активный центров
{> (э.а.ц.).............................................28
§2. Образование собственных точечных дефектов в полупроводниках при облучении (ударный механизм генерации дефектов структуры) .................................. 32
- 3 -
с г р.
1. Основные представления ......................... 32
2. Образование дефектов при облучении кристаллов электронами.......................................33
3. Образование дефектов при 7Г -облучении . . . зе
4. Создание областей разупорядочения .............. 37
§3. взаимодействие собственных точечных дефектов с
атомами примесей и друг с другом ................... 39
I. Виды простейших собственных точечных дефек-
тов .............................................39
2. Миграция и отжиг собственных точечных дефектов ъСгаАь и 1пР , облученных ^"-лучами
и электронами .................................. 42
3. Энергетические схемы атомов примесей в вяДб и1пр...........................................46
4. Возможные виды взаимодействия точечных собственных дефектов со скоплениями э.а.ц. ... 49
5. Термодоноры в кремнии........................51
§4. Заключение к главе I...........................53
Глава П. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ."...................................54
Часть I. Общие вопросы...............................54
§1. Исследуемые материалы ............................. 54
§2. Изготовление образцов ............................. 54
§3. Техника гамма-облучения ........................... 55
§4. Техника измерений ................................. 55
4.1. Измерения температурных зависимостей коэффициента Холла и электропроводности ... 55
4.2. Измерения кинетики фотопроводимости ... 61
§5. Измеряемые величины и погрешности измерений . . 63 §6. Методика обработки экспериментальных данных . . 67
- 4 -
стр.
6.1. Анализ уравнений нейтральности ...................... 67
6.2. Анализ температурных зависимостей подвижности носителей заряда .................................... 70
Часть П. Анализ влияния скоплений э.а.д. на электрические свойства полупроводниковых материалов ......................./...........................72
§7. Определение эффективного потенциала скоплений
э.а.ц 72
§8. Определение доли объема^,занимаемой ОПЗ
скоплений из данных по фотопроводимости ............. 77
§9. Нахождение функции распределения квазиточечных скоплений компенсирующих центров по числу составляющих их э.а.ц......................................78
§10. Степень точности нахождения функции N^_ (£ ) . . . 99
Глава 1. СКОПЛЕНИЯ ЦЕНТРОВ ДОНОРНОГО ТИПА В р -КРЕМНИИ,
ВЫРАЩЕННОМ ПО МЕТОДУ ЧОХРАЛЬСКОГО И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С СОБСТВЕННЫМИ ТОЧЕЧНЫМИ ДЕФЕКТАМИ ............ 80
§1. Экспериментальные данные ............................ 80
§2. Обсуждение результатов и заключение ................. 94
Глава 1У. СКОПЛЕНИЯ АКЦЕПТОРОВ В ФОСФИДЕ ИНДИЯ П -ТИПА И ИХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ТОЧЕЧНЫМИ СОБСТВЕННЫМИ ДЕФЕКТАМИ 99
§1. Кинетика изменения концентраций мелких доноров
и акцепторных центров при гамма-облучении ... 99 §2. Скопления компенсирующих центров В П -1пр и
влияние гамма-излучения на их раамеры ............... 106
1. Необлученный материал ............................ 106
2. Влияние гамма-облучения на размеры скоплений. 115
- 5 -
стр.
§3. Рассеяние электронов скоплениями акцепторов . . . 116
§4. Выводы к главе 1У...........................................118
Глава У. СКОПЛЕНИЯ АКЦЕПТОРОВ В П -АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ И ИХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С СОБСТВЕННЫМИ ТОЧЕЧНЫМИ ДЕФЕКТАМИ. 120
§1. Харакретистика необлученного материала ....................... 120
§2. Кинетика изменения концентраций мелких доноров
и акцепторных центров при гаша-облучении .... 127 §3. Скопления акцепторных центров в n-QaAs и влияние гамма-облучения на их размеры .................. 129
§4. Выводы к главе У............................................138
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ............................................ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................... 145
- 6 -
ВВЕДЕНИЕ
Исследования дефектов структуры в кристаллах имеют большое значение как для развития теории твердого тела, так и для решения практических задач, поскольку возникновение дефектов может оказывать решающее влияние на различные свойства кристаллов и приборов на их основе. Электрические свойства полупроводников весьма чувствительны к наличию различных дефектов и исследование электрических параметров дает ценную информацию о природе и энергетической схеме дефектов.
Одним из наиболее совершенных способов введения дефектов структуры является облучение материалов ядерныли частицами или достаточно энергичными фотонами.
Основными достоинствами этого метода являются:
1. Дефекты можно вводить при любой температуре, в том числе при низкой, исключающей возможность диффузии атомов примесей и связанных с этим явлений.
2. Возможность строгого дозирования.
3. Облучение ионами может быть испольвовано и используется как способ легирования полупроводникового материала примесями, причем легко может быть соэдано требуемое пространственное распределение атомов легирующих примесей.
Точечные собственные дефекты структуры (межузельные атомы и вакансии) в кристаллах могут быть созданы при облучении электронами с энергией I МэВ иди у-квантами. Преимуществом гамма-облучения является однородность распределения образующихся точечных дефектов в объеме кристалла, обусловленная малыми коэффициентами поглощения гамма-излучения практически во всех полупроводниках.
Чаще всего основное внимание уделяется изучению изменений
- 7 -
свойств однородных полупроводниковых материалов под действием излучения. Однако иногда оказывается, что примеси и дефекты распределены по объему материала неоднородно. Полупроводниковые материалы со скоплениями атомов примесей или дефектов приобретают особые "аномальные" электрические или оптические свойства, что, на наш взгляд, открывает широкие возможности для создания новых твердотельных электронных приборов.
Особый интерес представляет исследование взаимодействия собственных точечных дефектов, создаваемых в условиях однородной генерации с имеющимися скоплениями примесных или дефектных центров. Основными задачами настоящей работы являлись:
1. Выяснение характера распределения атомов компенсирующих примесей и других электрически активных центров в щземнии, арсе-ниде галлия и фосфиде индия.
2. В случае обнаружения существования скоплений компенсирующих центров в этих полупроводниках - экспериментальная проверка возможностей фотоэлектрического метода исследования таких скоплений.
3. Определение концентрации скоплений компенсирующих центров и числа входящих в них центров (нахождение функции распределения скоплений по числу входящих в них центров).
4. Исследование влияния неоднородностей в распределении атомов примесей на кинетику введения стабильных при комнатной температуре дефектов структуры, возникающих при облучении указанных полупроводниковых материалов гамма-лучами ^Со.
5. Исследование влияния гамма-облучения на вид функции распределения скоплений по числу составляющих их электрически активных центров.
Научная новизна
I. Экспериментально показано, что фотоэлектрическим методом
можно обнаруживать и исследовать квазиточечныех) скопления компенсирующих центров в полупроводниках, если их концентрация превышает 10-^см , а числа 2 составляющих скоплений дефектов превышает 2 = 4 для/) - Л , и 2 = 12 для /г -<3а-А5 и п-ХпР .
2. Обнаружено, что в р-5/ » выращенном по методу Чохральско-го при термообработке (600°С и 900°С) возникают квазиточечные скопления дефектов донорного типа, содержащие по 3-10 дефектов в каждом. В р- 5/ » не подвергавшемся термообработке, таких скоплений не обнаружено.
3. Экспериментально найдены функции распределения Л£(2):
а) квазиточечных скоплений термодоноров в р-кремнии, выращенном по методу Чохральского и подвергнутого термообработке при 600°
С и 900°С;
б) квазиточечных скоплений компенсирующих центров в п-с,о4%, выращенном по методу Чохральского;
в) квазиточечных скоплений атомов меди и цинка в фосфиде индия, /г - типа, выращенном методом зонной плавки.
При этом показано, что при легировании кадмием образуются скопления меньшего размера, чем при легировании медью или цинком, т.е. кадмий распределяется более однородно, чем медь или цинк.
4. Впервые исследовано влияние гамма-облучения на квазиточеч^-ные скопления электрически активных центров в р-кремнии, выращенном по методу Чохральского и подвергнутого термообработке при 600°С и 900°С, П. -арсениде галлия, выращенном по методу Чохраль-
х) Квазиточечными мы в дальнейшем будем называть скопления, размеры которых не превышают длины волны Де-Бройля для основных носителей заряда в однородном материале.
- 9 -
ского, /г -фосфиде индия, выращенном методом зонной плавки и легированном компенсирующими примесями: Си , гл.» Сс[ •
При этом:
а) Обнаружено, что наличие атомов меди и цинка увеличивает скорость введения стабильных при комнатной температуре дефектов при облучении фосфида индия гамма-лучами *^Со.
б) Установлено, что в результате гамма-облучения скопления электрически активных центров во всех исследованных материалах растут (число входящих в них электрически активных центров увеличивается), если в необлученном материале есть зародыши скоплений.
5. Определен вид температурной зависимости эффективности рассеяния электронов на малых скоплениях электрически активных центров в' п. - &о.А$, и ^ -1п.Р •
Практическая ценность
1. Экспериментально доказана возможность нахождения концентрации скоплений компенсирующих центров В р-кремнии, П. —
и /т- -1/ъР и определения числа центров, входящих в состав скоплений путем использования простого метода исследования кинетики спада фотопроводимости.
2. Получены новые данные о величине скоплений атомов компенсирующих примесей и дефектов в полупроводниках, имеющих широкое практическое применение - кремнии, арсениде галлия, фосфиде индия. Эти данные могут быть использованы при разработке технологических процессов улучшения параметров указанных материалов и при разработке приборов на их основе.
3. Показано, что степень однородности введения различных примесей при легировании п -Тп-Р в процессе зонной плавки различна. В частности, кадмий распределяется более однородно, чем медь или цинк.
- 10 -
4. Установлена связь между скоростью введения стабильных при комнатной температуре дефектов, создаваемых в 1п-Р гамма-облучением, и наличием определенных примесей в облученном материале. Этот результат может быть использован при разработке процессов радиационной технологии 1п.Р•
5. Установлено, что во всех исследованных материалах имеющиеся скопления компенсирующих центров растут при облучении гамма-лучами 60Со при комнатной температуре. Этот экспериментальный факт может явиться основой новых процессов радиационной технологии полупроводниковых материалов и может быть использован в процессах создания полупроводниковых приборов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Исследование кинетики спада фотопроводимости дает возможность находить функцию распределения Л^(£) квазиточечных скоплений компенсирующих центров в полупроводниках.
2. При легировании фосфида индия л-типа, выращенного методом зонной плавки, компенсирующими добавками использование кадмия предпочтительно по сравнению с использованием меди или цинка, поскольку кадмий распределяется более однородно.
3. При облучении фосфида индия гамма-квантами 60Со наличие Си и £п увеличивает скорость введения дефектов, стабильных
при комнатной температуре.
4. Облучение алмазоподобных полупроводников ( Л ,
1пР), характеризующихся наличием зародышей скоплений, приводит к росту скоплений электрически активных центров.
5. Подтверждено, что в п -Са.А5 и п-1п.Р проявляется некоторый дополнительный механизм рассеяния носителей заряда, эффективность которого растет с ростом температуры. Установлено, что этот механизм характеризуется температурной зависимостью Т
Глава I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕОДНОРОДНО ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИ КОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБРАЗОВАНИЕ СОБСТВЕННЫХ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ
§1. Основные свойства неоднородно легированных
полупроводников
I. Энергетическая структура неоднородно легированных полупроводников
1.1. Полупроводники с хаотическим распределением примесей
Хорошо известно, что статические флуктуации хаотического пространственного распределения заряженной примеси модулируют дно зоны проводимости и, соответственно, потолок валентной зоны. Если вероятности положительных и отрицательных флуктуаций потенциала одинаковы, то потенциальный рельеф оказывается симметричным относительно уровня потенциала, который был бы при однородном распределении примеси. В противном случае потенциальный рельеф оказывается несимметричным.
При любых концентрациях доноров и акцепторов НА величина и размер таких флуктуаций, а также их влияние на энергетический спектр, потенциальный рельеф и характер переноса носителей тока в таких кристаллах существенно зависят от степени компенсации примесей- К = -ТГ
'V)
а) Слабое легирование, слабая компенсация
В случае слабого легирования Л/^-а« 1 (а - боровский радиус) и малой степени компенсации ( И« 1 ), когда заряд почти всех доноров нейтрализован электронами, а акцепторов мало, крупномасштабный потенциал является слабым, и его можно не учитывать,
- 12 -
так что при этом не искажены края разрешенных вон. Крупномасштабным мы будем в дальнейшем называть потенциал, для которого пространственный размер "горбов" или "ям" велик по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда.
Проводимость такой системы при высоких температурах определяется переносом носителей заряда по разрешенной зоне и характеризуется энергией активации переходов электронов между примесными состояниями и ближайшей разрешенной зоной. При низких температурах проводимость определяется переносом носителей по примесным состояниям. Эта проводимость при слабей легировании имеет прыжковый характер и характеризуется энергией активации £ .
Физическая картина, объясняющая наличие конечной энергии активации при К « I, была предложена Моттом /I/. При малой компенсации большая часть доноров заполнена электронами и лишь небольшое их количество свободно. Незаполненные донорные состояния можно рассматривать как носители тока: при переходе электрона с заполненного донора на свободный происходит движение положительной "вакансии" по решетке. При низких температурах все"ва-кансии" располагаются в состояниях с минимальной энергией, т.е. в непосредственной близости от отрицательно заряженных акцепторов. Другими словами, электроны заполняют все доноры, кроме тех, уровень которых достаточно высоко поднят близлежащим акцептором (рис.1). Поэтому уровень Ферми оказывается выше энергии изолированного донора на величину порядка энергии кулоновского взаимодействия акцептора и ближайших доноров (где е - аб-
солютная величина заряда электрона, 71 - диэлектрическая проницаемость) .
х) Здесь "вакансией" называется место, не занятое электроном в системе донорных состояний. Не путать с вакансией - пустым узлом кристаллической решетки.
Рис.1. Энергетическая схема слабо компенсированного полупроводника.
Сплошные линии - дно зоны проводимости и потолок валентной зоны. Черные точки -электроны, занимающие донорные и акцепторные уровни. Штрих-пунктирная линия - положение уровня Ферми. Справа показана плотность состояний на донорных уровнях. Занятые состояния заштрихованы.
- Київ+380960830922