Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности физических явлений в компенсированных полупроводниках .
1. Электрические и гальваномагнитные свойства компенсированных и сильно компенсированных полупроводников... 12
2. Особенности фотоэлектрических свойств компенсированных полупроводников 20
3. Некоторые соображения о неоднородных полупроводниках...26
ГЛАВА II. Методика получения и исследования компенсированного марганцем кремния с различной степенью компенсации и концентрацией примеси .
1. Технология легирования кремния марганцем различными способами 28
2. Технология изготовления компенсированного марганцем кремния со специальными контактами 31
3. Установки для исследования электрических и фотоэлектрических свойств 32
4. Методика измерения сационарных вольтамперных характеристик 37
5. Методика измерения магнитосопротивления образца 38
6. Погрешности измерений 40
ГЛАВА III. Атектрические и гальваномагнитные свойства компенсированного марганцем кремния .
1. Поведение марганца в кремнии в зависимости от степени компенсации и параметров исходного материала 43
2. Особенности электрических свойств сильно компенсированного марганцем кремния 53
3. Исследование магнитосопротивления компенсированного марганцем кремния 60
4. Обсуждение результатов 66
Краткие выводы 76
ГЛАВА ІV. Фото-и остаточная проводимость компенсированного марганцем кремния с различной степенью компенсации и концентрацией примеси .
1. Влияние степени компенсации и концентрации компенсирующих примесей на фотоэлектрические свойства 79
2. Влияние степени компенсации и концентрации компенсирующих примесей на температурное и инфракрасное гашение фотопроводимости 85
3. Влияние степени компенсации и концентрации компенси рующих примесей на остаточную проводимость
4. Фотоэлектрические свойства компенсированного кремния, легированного при выращивании
5. Влияние % -облучения на электрические и фотоэлектрические свойства компенсированного марганцем кремния.
6. Обсуждение результатов 117
Краткие выводы 131
ГЛАВА V. Особенности инжекционных явлений в сильно компенсированном марганцем кремнии .
1. Токи монополярной инжекции.в компенсированном марганцем кремнии 133
2. Фотоэлектрические свойства компенсированного марганцем кремния при наличии монополярной инжекции 145
3. Стимулированная полем остаточная проводимость 149
4. Обсуждение результатов 156
Краткие выводы 161
Некоторые возмошости практического применения сильно компенсированного кремния, легированного марганцем 163
Общие выводы 168
Литература
- Особенности фотоэлектрических свойств компенсированных полупроводников
- Технология изготовления компенсированного марганцем кремния со специальными контактами
- Особенности электрических свойств сильно компенсированного марганцем кремния
- Влияние степени компенсации и концентрации компенсирующих примесей на температурное и инфракрасное гашение фотопроводимости
Введение к работе
Одним из наиболее широко используемых материалов в современной полупроводниковой микроэлектронике является кремний, компенсированный примесями, создающими в запрещенной зоне глубокие энергетические уровни, так как свойства таких материалов существенно отличаются от свойств материалов слабо компенсированных, собственных, а также компенсированных радиационными дефектами или мелкими примесями. Это отличие проявляется, во-первых, в обнаружении новых физических явлений, а во-вторых, в возможности использования этих материалов для создания целого ряда принципиально новых полупроводниковых приборов и устройств на их основе. С другой стороны, исследование физических явлений в компенсированном и сильно компенсированном кремнии, легированном элементами переходной группы, представляет особый интерес с точки зрения решения ряда фундаментальных вопросов физики неупорядоченных систем и физики глубоких центров в полупроводниках, привлекающих в последнее время большое внимание как теоретиков, так и экспериментаторов .
Актуальность проблемы обусловлена, с одной стороны, широким применением компенсированных материалов в современной полупроводниковой электронике и возможностью создания новых классов приборов на основе дальнейшего изучения физических свойств этих материалов, а с другой стороны, крайне малой изученностью физических свойств компенсированного и сильно компенсированного кремния, легированного элементами переходной группы.
Легирование кремния примесями с глубокими уровнями дает воз-ложность в достаточно широком интервале варьировать удельное сопротивление, концентрацию и время жизни носителей тока и позволяет разработать технологию получения компенсированного кремния с заданными и воспроизводимыми свойствами.
Сильно компенсированные полупроводники, в частности, кремний, можно рассматривать как отдельный класс полупроводниковых материалов, свойства которых существенно отличаются от свойств слабо компенсированных. Это связано с возникновением флуктуационных потенциалов, величина и природа которых в основном определяются особенностью распределения и взаимодействия примесных атомов в объеме кристалла. Поэтому исследования электрофизических, фотоэлектрических, оптических свойств таких материалов и инжекционных явлений в структурах на их основе позволяют не только выявить ряд интересных, ранее неизвестных физических явлений, но и показывают возможность применения сильно компенсированного кремния для создания новых и перспективных приборов.
Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось комплексное исследование физических свойств компенсированного марганцем кремния и структур на его основе в зависимости от степени компенсации и способа легирования, а также определение целесообразности использования такого материала в полупроводниковой электронике.
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
- изучить электрические свойства и магнитосопротивление образцов Si Mn с различной степенью компенсации и концентрации примесей, полученных различными способами;
- исследовать особенности фотоэлектрических свойств компенсированного марганцем кремния в зависимости от степени компенсации и концентрации компенсирующих примесей, а также от способа легирования;
- исследовать особенности монополярной инжекции в структурах р+ - р - р+ и р+ - п - р+ на основе компенсированного марганцем кремния с различными степенями компенсации;
- исследовать особенности радиационного дефекторообразования при # -облучении в сильно компенсированном Si Mn в зависимости от концентрации примесей;
- определить возможности практического использования таких материалов и структур на их основе в полупроводниковой электронике.
Для получения достоверных и однозначных результатов,использованы различные методы исследования: электрические, гальваномагнитные, фотоэлектрические, оптические и другие.
Объект исследований. В качестве объекта исследований использовались слитки монокристаллического кремния р- и п- типов проводимости с концентрациями бора от 10х до 10х см .выращенные методами Чохральского и бестигельной зонной плавки. Компенсирующей примесью был выбран марганец. Работа выполнена в проблемной лаборатории физики полупроводников по плану НИР ТашГУ им. В.И.Ленина, по теме: "Исследование явлений переноса в полупроводниках, полупроводниковых приборах и диэлектриках" ( № гос. регистрации 76025031).
Научная новизна работы. I. Исследованы возможности электрических, гальваномагнитных и фотоэлектрических свойств компенсированного марганцем кремния в зависимости от степени компенсации К и концентрации компенсирующих примесей (при iconic ),а также от способа легирования (диффузионного и при выращивании).
Установлено, что физические свойства таких материалов практически не зависят от концентрации компенсирующих примесей (в интервале I014 I016 см ) и от способа легирования, а в основном определяются значением К. В сильно компенсированных образцах ( J І-К СІ) впервые обнаружены высокие продольное и поперечное магнитосопротивление, индуцированная электрическим полем остаточная проводимость (ОП), спектральная память (в интервале ViiJ 2= 0,62 1,5 эВ), электрическая память и другие.
2. Впервые псследовано влияние у -облучения (Б =ю"-г1010 Р) на свойства сильно компенсированного SL Mn . Показано, что электрические, фотоэлектрические параметры таких материалов достаточно стабильны к ft -облучению до - 3 10° Р, и с ростом концентрации компенсирующих примесей стабильность параметров сохраняется при больших дозах (10 Р).
3. Впервые исследованы особенности монополярной инжекции в р+-р-р+ и р+-п-р+ структурах на основе компенсированного Si. Mn с различной К в широком интервале температур, электрического поля, интенсивности и спектра освещения. Установлено, что ВАХ таких структур имеет сублинейный участок. С ростом К протяженность этого участка увеличивается, а показатель ВАХ уменьшается.
4. Впервые исследованы влияние монополярной инжекции на фотопроводимость (ФП), температурное (ТГ) и инфракрасное гашение (ИКГ)
ФП и ОП. Показано, что меняя приложенное напряжение в структуре рь - р - р+ можно в широком интервале варьировать фоточувствительность, ОП, глубину ТГ и ИКГФП и время фотоответа.
5. Предложена кластерная модель распределения примесей в Si Mn , на основе которой можно объяснить всю совокупность полученных экспериментальных результатов. Показано, что структура, зарядовое состояние и размеры таких кластеров определяется, в основном, степенью компенсации материала.
Практическая ценность работы. Показаны возможности использования обнаруженных явлений для создания высокочувствительных и достаточно радиационно-стойких фоторезисторов, терморезисторов, элементов оптической и электрической памяти, структуры с S и N -образными ВАХ и ВАХ с сублинейным участком, чувствительных к Ж свету и поперечному и продольному магнитному полю. Также показано, что $1 Мп можно использовать в качестве высокоомных подложек и изолирующих слоев, причем такие материалы в отличие от других достаточно радиационно-стойких. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Электрические, фотоэлектрические и рекомбинационные свойства компенсированного St Mn Не зависят от способа легирования и концентрации компенсирующих примесей и, в основном определяются степенью компенсации материала.
2. В сильно компенсированном $1 Мл кинетика образования и скорость введения радиационных дефектов существенно отличаются от слабо компенсированных и собственных материалов и, в основном определяются взаимодействием радиационных дефектов с примесными кластерами.
3. Установлено, что в структурах р+ -р - р+ на основе Si Mn электрическое поле вызывает стимуляцию остаточной проводимости (ОП). Величина ОП, её время релаксации при этом достигают гигантских значений (6 п/ т =Ю9+1010, Т IO e ) и управляются электрическим полем.
4. Величина фототока структур р+ - р - р+ превосходит на 1 1,5 порядка фототок образцов Si Mn , а время фотоответа при этом уменьшается в 5ЧІ0 раз благодаря существованию инжекционно-оптического усиления фототока в таких структурах. Это может быть использовано для создания чувствительных фотоприемников и фотоинжекционных приборов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Республиканской конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ужгород, ноябрь,1979 г.), на П -ом Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, октябрь 1980г.) на отчетно-научных конференциях профессорско-преподавательского состава ТашІУ им.В.И.Ленина (1979-1982гг), на объединенном семинаре по физике полупроводников физического факультета и НИИ прикладной физики ТашІУ им. В.И.Ленина.
Публикация. По теме диссертации опубликовано II работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общего заключения. Основное содержание изложено на страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков,Ютаблиц и библиографию со 112 наименованиями.
Содержание работы.
В первой главе содержится общий обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению особенностей компенсированных полупроводников. Сильно компенсированный полупроводник можно рассматривать как неоднородный полупроводниковый материал с потенциальным рельефом различной амплитуды. При этом равновесные и неравновесные свойства полупроводника определяются величиной рекомбинационного и дрейфового барьеров.
В конце этой главы также приводятся теоретические и экспериментальные работы по фотоэлектрическим свойствам компенсированных полупроводников. Приведены барьерные модели, позволяющие объяснить особенности фотоэлектрических свойств компенсированных полупроводников.
Bo-второй главе описывается технология получения компенсированных образцов кремния различными способами, т.е. методом диффузионного легирования и легированием при выращивании, а также получение п+-п-п+ и р+-р-р+структур на основе компенсированного марганцем кремния.
Кратко изложена методика проведения исследования по изучению гальваномагнитных и фотоэлектрических свойств компенсированных полупроводников.
В третьей главе приводятся экспериментальные результаты электрических и гальваномагнитных измерений. Выявлен ряд особенностей как, например, неоднозначность уровня марганца в запрещен - II ной зоне кремния с изменением степени компенсации, аномальные изменения подвижности М и проводимости (Г с изменением температуры в сильно компенсированных образцах кремния, высокие поперечное и продольное магнитосопротивления и другие особенности. Результаты обсуждены на основе кластерной модели неоднородных полупроводников .
В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования фотоэлектрических свойств компенсированного марганцем кремния в зависимости от степени компенсации и концентрации примеси. Выявлены особенности остаточной проводимости (ОП) в сильно компенсированном Установлено, что ОП в основном зависит от степени компенсации К . Вычислены значения дрейфовых и рекомбинационных барьеров, ответственных за ОП.
Установлено, что особенности фотоэлектрических свойств Si Mn) не зависят от способа его получения. Выявлена радиационная стойкость к у -облучению сильно компенсированных образцов Si Мп , полученных обоими способами. Результаты обсуждаются кластерной моделью неоднородности полупроводников.
В пятой главе исследуется монополярная инжекция в структуры р -р-р и п-n-n на основе компенсированного 5i Mn)c различным удельным сопротивлением. В сильно компенсированных образцахоі Мп)наблю-дается ВАХ с сублинейным участком, который следует за начальным квадратичным участком. Исследована ВАХ в состоянии ОП. При этом выявлено ряд особенностей таких как, например, ОП, управляемая электрическим полем, гисторезис ВАХ при прямом и обратном снятии и другие особенности.
Исследованы ВАХ при различных температурах, освещениях и длинах волн примесного света. Результаты обсуждены с помощью теории монополярной инжекции с учетом неоднородности компенсированных полупроводников.
Особенности фотоэлектрических свойств компенсированных полупроводников
Изучение компенсированного неоднородного полупроводника привело к обнаружению ряда новых явлений [24] . Одним из интересных явлений является эффект долговременной релаксации (ДР) и остаточная проводимость (0П). Суть этих эффектов заключается в том, что время релаксации фотоотклика имеет аномально большое значение как при включении, так и при выключении света. После прекращения ос 6 7 вещения в образцах также длительное время (10 -10 с.) сохраняется остаточная высокая проводимость по сравнению с темновым равновесным значением.
Основной причиной 0П в полупроводниках является наличие потенциальных барьеров, связанных с неоднородностями. Предложено несколько частных моделей таких барьеров, объясняющих физические основы ОП. Например, Шейнкманом, Маркевичем и Хвостовым [25] теоретически рассмотрены модели ОП в широкозонных полупроводниках. В этом случае барьер обусловлен неоднородностью полупроводника, состоящего из областей различного сопротивления, и существует в термодинамическом равновесии, представляя собой контактную разность потенциалов между низкоомной областью (НО) и высокоомной областью (ВО). При освещении таких образцов неравновесные носители разделяются полем, неосновные носители попадают в ВО и захватываются там на глубокие локальные центры рекомбинации, а основные носители накапливаются в НО и создают там фотопроводимость. Легко можно понять, что наличие барьеров является необходимым, но недостаточным условием для наблюдения ОП. Нужно дополнительно, чтобы разделенные барьером неравновесные (основные) носители могли участвовать в проводимости в течение всего времени жизни. Для этого в НО части образца, по которой протекает основной ток, все глубокие уровни должны быть полностью заполненными, а незаполненные уровни - достаточно мелкими, что исключает захват на них всех неравновесных (основных) носителей.
В работе [25] авторы для объяснения причины высокой кратности ОП, предлагали модель низкоомного слоя с поверхностью, содер жащей глубокие акцепторные уровни с концентрацией Ns (Рис. I.I). В этом случае высокоомной областью является поверхность образца. Вблизи поверхности возникает область истощения - слой Шоттки, из которого практически все электроны ушли на поверхность. Его тол щина у L= иєє /ean0) 2 (І.ІЗ) где 0 - рационализированная электрическая проницаемость, f0-равновесная высота барьера, Я0- равновесная концентрация электронов модель низкоомного слоя (НО) с поверхностью, содержащей глубокие акцепторные уровни с концентрацией Ns ; при малой толщине НО слоя (о ь) по-ложение зон и их изгиб Р обозначены штриховой линией ; б - модель НО слоя, находящегося в контакте с вы-сокоомным (ВО) слоем, последний содержит глубокие некомпенсированные акцепторы 1\д- ND - pQ , на которые захватываются электроны из НО слоя 25] . в нейтральной НО части. Равновесная темновая проводимость вдоль НО слоя $т зависит от толщины нейтральной области (ct-L ). Поскольку под действием света в НО может возвращаться лишь часть электронов с поверхнос ти, ясно, что кратность изменения проводимости вдоль слоя при возбуждении ОП, определяемая как отношение / - , не будет превышать величины Ц- ТПГ . При a L не может быть большая кратность ОП. Таким образом, авторы [25] впервые показали, что высокая кратность ОП связана с изменяющимся перекрытием областей пространственного заряда.
В работе Сандомирского [2б] оценена высота барьера в эпитак-сиальных пленках сульфида кадмия на основе экспериментальных данных ( T=10C,T=10DK/C0=l6c) по формуле Т= VXP( "kt) и получено 4= 0,2эВ. В состоянии ОП для такой высоты барьера плотность тока должна быть 10 А /см , а на опыте получено значение fr =1-10А/см? Это расхождение (на 6-7 порядков) свидетельствовало о том, что барьеры, через которые протекает ток, гораздо ниже, чем рекомбинационные ( -0.2эВ). В связи с этим, авторы [2б] пришли к выводу, что в состоянии ОП одновременно существуют рекомбинационные барьеры и барьеры для тока (дрейфовые барьеры). Исследования температурной зависимости ОП показали, что дрейфовые барьеры при максимальной ОП имеют минимальную высоту (« 0,05эБ ) и увеличиваются по мере гашения ОП, а в состоянии темновой проводимости ток протекает через высокие дрейфовые барьеры. Авторы [2б] качественно рассмотрели ОП неоднородного барьерного рельефа (Рис. 1.2). В этой модели эффективные барьеры в сечениях полупроводника, нормальных к направлению тока, непостоянны ло высоте и имеют вид длинных, высоких "хребтов", разделенных узкими "перевалами". При освещении носители переходят с хребтов в перевалы и их высота уменьшается. Электропроводность будет возрастать вследствие уменьшения высоты перевалов, играющих роль дрейфовых барьеров. Равновесная темновая проводимость полупроводника установиться лишь после полного захвата неравновесных свободных носителей из области перевалов на высокие хребты-рекомбинационные барьеры.
Эти свойства ОП не объясняются на основе прежних представлений, в которых рекомбинационные и дрейфовые барьеры пространственно не разделялись [27] или рассматривались только рекомбинационные барьеры [25] . Наиболее общим видом неоднородностей является случайный потенциальный рельеф (Рис. 1.3), существующий в легированных и аморфных полупроводниках
Технология изготовления компенсированного марганцем кремния со специальными контактами
Получение n-n-n , р-р-р структур с высокоомной базой, т.е. получение антизапорных контактов для компенсированного марганцем кремния является одной из наиболее важных задач в области практического применения. Однако, изготовление таких контактов имеет свои трудности. Так как коэффициент диффузии марганца больше, чем у других примесей [ЗО] , то невозможно получить контакты вплавлением или диффузией. Малейшее нагревание сильно компенсированного образца Si Mn (приТ 100С) приводит к изменению удельного сопротивления, а также типа проводимости. Поэтому мы в начале, до легирования марганцем в образцах, получили специальные контакты, а затем вводили марганец.
В нашем случае, в качестве исходного материала применялись КДБ-10. Образцы вырезались из шайбы в виде параллелепипеда 4x3x2 мм. После промывки и травления, в вакуумном колпаке на поверхность образца напылялся алюминий. Алюминий в кремнии создает мелкие акцепторные уровни и поэтому на поверхности образца можно + получить обогащенный р слой. Для проведения диффузионного отжига образцы с напыленным алюминием помещали в кварцевую ампулу, откачанную до 10 мм.рт.ст. Диффузия проводилась при І200С в течение 2 часов. Из температурной зависимости коэффициента диффузии алюминия в кремнии при температуре 1200 С имеем: D =І,5 І0 ІІсм2/сек [Зі] . Глубина диффузии находилась из формулы L=2vDt и оказалась + равной 6,6 мкм. Таким образом получили обогащенный р слой с толщиной 6,6 мкм.
После диффузионного отжига образцы охлаждались до комнатной температуры сбрасыванием в воду. Затем для удаления алюминия с поверхности, кроме контактного слоя, образцы сошлифовывали и промывали. Четырехзондовым методом определяли поверхностную концентрацию обогащенного алюминием контактного слоя, которая была то _о порядка 10 см .
После чего диффузионным методом вводили марганец. Температуру и время диффузионного легирования выбрали так, чтобы после диффузии база этого материала стала выеокоомной, р -типа проводимости. При этом условии нами были получены образцы $L Mn с р+ -р -р+структурой.
Для получения ІҐ" слоя на поверхности кремния использовали сурьму. Сурьма является донором в кремнии. Коэффициент диффузии сурьмы при 1200С составляет])= 2,5 10 см /сек [Зі] . Поэтому диффузия сурьмы в SL производилась в течение 14 часов. При этом L составляла 2,5 мкм. В этом случае, также как и впервом случае, последовательно повторяется диффузионный процесс.
Таким образом были получены образцы компенсированного кремния с ГГ -П - структурой.
Компенсированные образцы 5і Мп обладают большими удельными сопротивлениями при низкой температуре в темноте. В таких материалах измерение температурной зависимости удельного сопротивления Р(Т) и постоянной Холла RlT)компенсационным методом невозможно. Поэтому нами использована установка, принципиальная схема которой показана на рис. 2.1.
Точные измерения тока через образец "холловской" VH и "омической" \L разностей потенциалов проводились с помощью электрометрических усилителей ЭД-0,5 М с входными сопротивле-ниями R.BX 10 Ом.
Измерение малых токов (10 -10 А) проводилось в режиме "измерение тока" с использованием эталонных сопротивлений, соединенных последовательно с исследуемым образцом.
Установка позволяла провести измерения ЭДС Холла методом двух токов [32] , который исключает влияние контактов на ЭДС Холла. Это выражается формулой V = УіІ ііУ, (2.1) Н І1-ІЕ где Ij и 12 -измеряемые токи при различных нагрузочных, сопротивлениях R и JL в холловской цепи.
Для контроля температуры при измерении зависимости использовался двухкоординатный самописец ІЩІ4-002. Для измерения (Т) и р(Т) в темноте и при освещении в широком интервале температур образец устанавливался в специальный криостат, конструкция которого показана на рис. 2.2. В криостат вмонтирован тефлоновый держатель для крепления образца вместе с термопарой медь-кон-стантан.
Охлаждение образца до температуры жидкого азота осуществлялось после откачки криостата форвакуумным насосом опусканием его в дюар с жидким азотом. Нагрев осуществлялся регулировкой напряжения на обмотке с внешней стороны криостата. Изменение температуры осуществлялось и путем самонагрева криостата после испарения азота, с целью исключения влияния фонового излучения печи при исследовании в темноте.
Особенности электрических свойств сильно компенсированного марганцем кремния
Как видно из рис. 3.5, все кривые имеют три участка: начальный - медленно нарастающий, второй - уменьшения проводимости 6J, при 180 200 К, третий - резкого роста % Наклон участка резкого роста (Г0 соответствует энергии активации 0,45 0,5 эВ. Такая зависимость (Г(Т) в образцах с К 0,85 не наблюдается (кривая 4).
Из этих кривых можно установить следующие закономерности: 1. Начальный нарастающий участок с ростом К увеличивается. 2. С ростом К увеличивается относительное уменьшение (Г0 до исходного значения (при 180 200 К), а само исходное значение зависит от К. Чем больше К, тем меньшее значение принимает (при Т = 77 К).
Таким образом, в отличие от n-Si , в p-Si марганец создает еще один донорный уровень, энергия активации уровня зависит от степени компенсации.
Следует отметить, что поведение марганца в кремнии не зависит от способа легирования. Только в образцах 2l Mn , полученных из расплава, концентрация электроактивных атомов в 2 5раз меньше, чем в образцах, полученных путем диффузионного легирования.
Нами, на основе экспериментальных данных по иследованию влияния условий отжига и параметров исходного материала на свойства компенсированного марганцем кремния, разработана технология его получения как а., так р -типов проводимости с заданными стабильными и воспроизводимыми параметрами.
Для удобства практического использования были экспериментально получены зависимости удельного сопротивления и концентрации носителей тока при комнатной температуре в кремнии от концентраций исходной и вводимой примесей (Рис. 3.6).
Как видно из рисунка, этот график дает возможность определить температуру отжига и параметры исходного материала для получения компенсированного кремния с заданными параметрами.
Исследования температурной зависимости проводимости 6 (Т) сильно компенсированного марганцем кремния, полученного различными способами (диффузионным легированием и легированием при выращивании), показали, что эти материалы независимо от способа получения имеют идентичные свойства и особенности.
На рис. 3.7 приведены температурные, зависимости проводимости б (Т) сильно компенсированных образцов n-Si Mn , полученных обеими способами, где показано, что они имеют одинаковый вид и энергия активации, определяемая из наклона этих кривых, дает одинаковые значения (Е-0,5Ьв. Отсюда можно сделать вывод, что энергия активации уровня Мп не зависит от способа получения этих материалов, а также от концентрации компенсирующей примеси при одинаковых К (см. рис. 3.8).
При исследовании температурной зависимости (Г(Т) n-Si Mn с К - 0,99 нами определены некоторые особенности этих материалов. При резком охлаждении от 300 К до 77 К равновесная темновая проводимость образцов устанавливается не сразу и имеет долговременный характер, т.е. имеет место долговременная температурная релаксация проводимости (ДТР). Время релаксации темновой проводимости может меняться в широком интервале и в основном определяется температурной образца и скоростью охлаждения. Исследование кинетики при различных температурах показало, что ДГР наблюдается только при резком охлаждении образцов ниже 140 К, а при охлаждении в интервале 300 150 К это явление не наблюдается.
На рис. 3.9 представлена температурная зависимость тока через образец как при медленном нагревании, так и при медленном обратном охлаждении, предварительно быстро охлажденного до 77 К, образца. Как видно из рисунка, эти кривые не совпадают, и в области низких температур наблюдается гистерезис.
Влияние степени компенсации и концентрации компенсирующих примесей на температурное и инфракрасное гашение фотопроводимости
Из температурной зависимости Ш этих образцов установлено, что кратность и температурная область гашения существенно не зависят от концентрации марганца (рис.4.13). Таким образом, эти результаты дают возможность сделать вьгоод, что фотоэлектрические свойства образцов Si Mn в основном определяются степенью компенсации материала.
Интересно отметить, что независимость кратности ИК и ТНЇЇІ от концентрации марганца в образцах свидетельствует о том, что свойства и концентрация быстрых рекомбинационных уровней (не контролируемыеуровни, образующиеся при термообработке) зависят от концентрации марганца, увеличиваются с увеличением его. Таким образом, можно предположить, что центр быстрой рекомбинации образуется при введении марганца.
Явление очувствления, ТГ и ИК гашения Ш в полупроводниках хорошо объясняются двухуровневой моделью, предложенной Роузом [67] . Согласно этой модели, эффект очувствления заключается в том, что не фоточувствительный полупроводник становится более чувствительным при введении примеси, создающей новый рекомбина-ционный уровень, имеющий различные сечения захвата для носителей тока разных знаков ( S Sp или 8 р»$п ). Образование такого уровня приводит к увеличению времени жизни носителей тока одного типа и к уменьшению времени жизни носителей другого типа, что приводит к очувствлению. Таким образом, двухуровневая модель очувствления требует одновременного действия двух типов уровней рекомбинации, так называемого быстрого и медленного центров рекомбинации [62,68]
Вышеперечисленные явления выявляются более четко при смещении положения уровня Шерми к середине запрещенной зоны. Это свидетельствует о том, что ответственным уровнем за очувствление является уровень марганца Е_ - 0,5 эВ. Тогда зонную диаграмму кремния, легированного марганцем, можно представить в виде рис. 4.126. Такая зонная диаграмма позволяет качественно объяснить наблюдаемые фотоэлектрические эффекты в компенсированном Si Mn .
Для количественного объяснения результатов ИК и ТГШ нами был проведен теоретический расчет согласно [67,60,62] использо ванием значений параметров энергетических уровней марганца [69] . Систему кинетических уравнений для электронных переходов можно записать в следующем виде: g= Cnm(Nm-m)n -Вт -Срттр - B (Nm-m), (4.1) п= Cnr(N,.-r) - Cprrp, (4.2) фЬ= L-[Cnm(Nm-m)+ cnr(Nr-r)]n + Вт 4-3 at n + г л- rr\ - P-po (4.4) где m , Г , П. - концентрация электронов на уровнях марганца и рекомбинационных центров и в зоне проводимости ; вп рг - коэффициенты захвата электронов и дырок на уровни рекомбинации ; L - интенсивность генерации электронно-дырочных пар светом ; Е - фактор заброса электронов из валентной зоны на свободные уровни марганца, В = о(тЗ(Мт-т) ; В - гасящий фактор, показывающий переход электронов с уровня марганца в С -зону. При температурном гашении В = CnmNc езср (-дЕ/к01 ) , а при ИК гашении Ш Ъ = d. J m
Таким образом, как видно из выражения (4.10), спектральная область гашения и кратность определяются спектральной зависимостью сечения фотоионизации уровня марганца оітМ) в кремнии. Используя экспериментальные значения w (MJ , были вычислены Q(M) при постоянных интенсивностях собственного и ИК освещения (рис. 4.10, кривая I). Как видно из расчета кривых в интервале У= 0,5 - 0,65 3B, W(W) изменяется всего на 1-1,5 порядка, что не соответствует экспериментальным результатам [61 ] .
Таким образом, двухуровневая модель температурного и ИК гашения Ш не может объяснить большие скорости гашения в сильно компенсированном кремнии. Такое существенное несоответствие между экспериментальными и теоретическими зависимостями Q(T) и Q(M) может быть обусловлено только изменением вероятностей рекомбинации в процессе гашения.
Другие возможные факторы также как изменение подвижности и т.д., исключены, так как фотохолловские исследования при этом показывают наоборот - увеличение подвижности. С другой стороны, большая кратность ТГШ ( QO") = (Cnm/Cpm) Ю -И0 ) и ИК гашения (QCni))= (Cpr/Cpm) -vJO ) показывают аномально высокое различие сечений захвата электронов и дырок на уровень марганца і to Com/Cpm "- 10 - 10 f а также сечений захвата дырок на уровень марганца и на уровень рекомбинации: Срг/Ср« - 10 -г Экспериментальные значения сечений захвата электрона на уровне марганца, определенное из кинетики стационарной Ш, составляет Snm= 10 см [70j , тогда значение сечения захвата дырок на этот уровень Spm согласно выражению (4.8) составляет Sprw = op. ор, 2 т
Однако, как показано в работах [68, 71 75J , существование сечений захвата S 10"" см трудно представить из-за туннелирования через такой достаточно тонкий барьер. Поэ-тому нам кажется, объяснение Sp IO см на основе предположения о малости сечения захвата дырок отталкивающими индивидуаль-ными центрами Мпявляется неубедительным.
