Введение к работе
Классически полупроводник;! - германий л кремний - остаются предметом всестороннего внимания, несмотря нз более чем полувековую историй исследования, ото вызвано тем, .„.что технология создания таких катерлалоз позволяет получать совершенные монскристаьлк с дозированным легированием и'компенсацией.
Одним из успехов технология является получение легированного кремния с рекордно малой компенсацией К * 10"э- 10~*. Появлейке . "таких материалов повлекло за собой обнаружение новых физических эффектов, которое условно мохно разбить на две группы.
Первая группа эффектов связана с Д~(А+)- состояниями в полупроводниках. Такие состояния возникает при присоединении ' нейтральным примесным атомом при низких температурах (Т) "лишнего" электрона "лишней" дырки) [1,2,3]. В предельно слабокемпенсиро-ванном кремнии, в котором количество нейтральных доноров'на несколько порядков превышает число положительных Сдля определенности говорим о материале п-типа), вклад Д~- состояний в кинетические эффекта резко возрастает, а иногда становится определяющим.
Так, при определенных условиях Д~- центры могут полностью определять время хкэни свободного носителя (непрямая' рекомбинация). Причем, в зависимости от концентрация примеси, движение электрона по нейтральным центрам С ВЦ) к притягивающему (ПШ монет осуществляться либо прыжками по Д~- состояниям, либо дрейфом по Д~- зоне [-4].
При делокализащш Д~- состояний наблюдается фотопроводимость по Д - зоне о* которая ког;ет в десятки раз превышать фотопроводимость по свободной зоне [5]. .
Другая группа новых эффектоз связана с проводимостью по основным состояниям примеси. В настоящее время для слабокомпенси-рованнкх материалов создана теория проводимости по примесям [6], которая в случае малых К должна описывать экспериментальные результаты не точько качественно, ко и количественно.
Согласно этой теории, при очень низких Т должна иметь место проводимость с переменнсЛ длиной прыгиа (сСТ) ~ ехрС-СТ /Т)*'*]). При промежуточных Т -. проводимость с постоянной энергией активации «з= 0,Шес/air1 ^ Сеа-проводимость). При высоких Т
CT > Т = к"* ІгГ'СК"')) - наступает насыщение прыжковой проводимости.
Наблюдение эффекта насыщения прыжковой проводимости стало возможным только с гоязлением счабокомленсировзнных материалов.
К числу новых эффекток , связанных с оч'экь малыми К,. следует тркхе отнести обнаружение предсказываемого теорией уменьшены электропроводности с ростом влэктрячгсксго поля в материалах с К < 1С"3 в области нгсіпдеііия пры.хковси проводимости.
Дальнейшее изучение физических свойств полупроводников с малой компенсацией представляет значительный интерес. Это вызвано тем, что такие материалы широко применяется з микроэлектронике,' например, в качестве нивкстеотвратуршгх фстоприемнкков. Кроме того, и это очень важно, легированный мелким:! примесями кремний является идеальной модельл твердотельных неупорядоченных структур свойства которых интенсивно изучается в настоящее время. Разработка теории .неупорядоченных структур встречает специфические' трудности, связанные, например,с отсутствием б большинстве задач малого параметра. Поэтому большой "удельный вес" приобретает экспериментальное изучение легированных полупроводников, в частности хремния, как модели таких структур, свойства которой моею изменять.
Все это определяет актуальность тема диссертации.
Обцей целью нашей работы явилось дальнейшее исследование физических свойств некомпенсированных материалов. При этом перед нами стояли две задачи:
-
Продолжить изучение эффектов,'езязанных с Д~- состояниями в частности, влияние внешних условий СТ.Е) на фотопроводимость при непрямом захвате.
-
изучить особеннсстя проводимости по основным есстогнияк примеси в некомпенсированном кремнии.
Научная новизна работы сахлкчается в следующем: I. Изучено влияние внешних условий СТ.Е) Еа фотопроводимость некомпенсированного крємні-ї при непрямом захвате.
аЗ Обнаружена и объяснена смена механизма непрямой речомби-Нации Семена механизма движения электрона к Щ с прыжкового по Д~- состояниям на дрейфовый по Д~- зоне) под воздейстзием электрического поля и температуры.
б) Обнаружено пороговое возникновение or с Т и Е: я
отсутствует при малых Т и Е и скачком появляется " при. достижении
ими критических значений Т„ или Е„.
в) Для объяснения полученных'результатов предложена модель
захвата носителя из Д~- зоны на - Щ. Захват представляет собой
дрейф электрона к ПЦ под действием кулонозского'. поля центра.
Модель позволила правильно оценить время еиэни в Д~- зоне, Тк и Ек.
II. Кзучены особенности проводимости по основным- состояниям примеси в некомпенсированном кремнии.
а) Обнаружена проводимость по примесям с энергией активации . с', промежуточной по -отношению к є ::є .. Приведены соображения Б пользу того,что эта проводимость обязана активации электронов- с уровня основного состояния в, локализованные состояния, нижнего хвоста верхней зоны Хаббарда.
6Ї Установлено, что в образцах с очень малыми К (К < 10~3) при концентрации К > N =3 10'всм~3 наблюдается... прозодимость с постоянной энергией активации - е.-проводимость, характеризующаяся- гигантским отрицательным магнетосопротивлением С^ 90 при Н 2: ЗОкЭЗ, что качественно отличает ее от обычной « - проводимости.
в) При N < N_ обнаружена проводимость, тстліературная
зависимость которой хорошо описывается с помощью энергии актива
ции .- Т1'4. Эта зависимость аналогична температурной зависимости-
проЕодкмости с переменной длиной прыхка моттовского типа. Обнару
женная проводимость характеризуется положительным ' магнетосопро-
тивленкем СПМС), во много раз превосходящим ПМС, которое
наблюдается обычно при переменном прыжка.
г) Приведены аргументы в пользу того, что результат п. 63
связан с возникновением при малых К квантовой 'структуры зоны
основних состояний, обусловленной перекрытием состояний пар близ
ких центров.
д) Сделана оценка влияния магнитного поля на энергию одно
кратной, ионизации такой пары. Показано, что магнктноэ поле долзяо
сглаживать квантовые особенности структуры зоны. Это должно при
водить к гигантскому ОМС в образцах с N > N .
Эти положения выносятся на защиту. .
Практическая значимость работы заключается в том, что ре-
_4 _
зультати проведенню: исследований необходимо учитывать'при выборе .оптимального состава к рабочих условий устройств криогенной микроэлектроники (например,,приемников излучения в КС-диапазоне длин волн)
Апробация работы. . Основные результаты работы докладывались на VII Всесоюзном симпозиума "Плазма и неустойчивости в полупроводниках", на семинарах в И?Э АН СССР, МГУ им. М.В. Ломоносова.
Публикации. По теме . диссертации , опубликовано 5 печатных работ/
Структура и объем диссертации.. Диссертация состоит из введения, штгн глав и заключения, .содеры-.т всего 150 страниц текста, из них 36 рисунков, 1 таблица к список литература кз 89 . наименование,