Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТИЧЕСКИ ПРОДЕФОРМИ-
РОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ За S& 16
I.I. Некоторые характеристики кристаллов <&iS& ... 16
1.2. Кристаллографическая ориентация образцов .... 20
1.3. Краткий анализ результатов исследований влияния дислокаций на электрические свойства кристаллов
3*,Sfe 25
Глава П. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ 35
2.1. Деформационная машина 35
2.2. Методика пластического изгиба образцов .... 39
2.3. Установка для гальваномагнитных измерений и ме
тодика измерений электрических характеристик
образцов 41
Глава Ш. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ В ПЛАСТИЧЕСКИ ИЗОГНУТЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ 5М& 48
3.1. Введение дислокаций в кристаллы ЗкЪЪ с избыт
ком дислокаций одного знака .... 49
3.2. Определение характеристик дислокационной струк
туры 55
Выводы 63
Глава ІУ. ВЖЯНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МОНОКРИСТАЛЛОВ CfuSfe . 65
4.1. Акцепторное действие пластического изгиба в монокристаллах 3>aS& Р-типа,пластически продефор-мированных при малых скоростях деформации ... 65
4.2. Акцепторное действие пластического изгиба в монокристаллах 9пё її -типа, пластически проде-формированных при малых скоростях деформации . 75
4.3. Влияние пластической деформации на электрические
свойства монокристаллов Jn S6 Р-типа при высоких
скоростях деформации 90
Выводы 105
Глава У. ВЛИЯНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ НА КОНЦЕНТРАЦИИ И ПОДВИШЗСТИ
ЛЕГКИХ И ТЯ1ЕЛЫХ ДЫРОК В КРИСТАЛЛАХ % $& Р-ТИПА
ПРИ 77,4К 106
5.1. Основные соотношения 108
5.2. Методика эксперимента III
5.3. Концентрации и подвижности дырок в исходном.
материале 112
5.4. Взаимодействие легких и тяжелых дырок с дисло
кациями 128
Выводы 138
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 140
ЛИТЕРАТУРА 146
Введение к работе
В настоящее время хорошо известно, что дислокации влияют на электронные свойства твердых тел. Во многих случаях это влияние проявляется в том, что с введением в кристалл дислокаций заметно изменяются его электрические, оптические, магнитные и другие свойства. Наиболее значительные эффекты такого рода наблюдаются в кристаллах полупроводников. Этот факт объясняется тем обстоятельством, что при введении в полупроводниковый кристалл дислокаций в нем образуются электрически активные центры, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне кристалла. Поэтому, если концентрация этих центров сравнима или превосходит концентрацию примесных центров в кристалле, то в области примесной проводимости кристалла эти новые центры частично или полностью определяют электрические и другие свойства кристалла, зависящие от состояния его электронной подсистемы. При этом концентрации и подвижности носителей тока и другие электрические характеристики кристалла с дислокациями могут существенно отличаться от соответствующих данных у недеформирован-ного контрольного образца. Исследование этих изменений имеет большое значение как с теоретической точки зрения, так и с точки зрения различных приложений, в частности, в области разработки новых полупроводниковых приборов. Поэтому изучение влияния дислокаций на электрические свойства кристаллов представляет собой важный, самостоятельный раздел физики твердого тела.
В исследованиях последних лет по изучению влияния дислокаций на электронные свойства кристаллов элементарных полупроводников Ge, и Sl- были получены количественные данные по влиянию дислокаций на различные экспериментально определяемые характеристики кристал- лов. В результате сопоставления результатов измерений электропроводности, коэффициента Холла, высокочастотной проводимости, фотопроводимости и других экспериментально определяемых характеристик этих кристаллов оказалось возможным построить теоретические модели дислокационных энергетических зон в запрещенных зонах этих полупроводников, удовлетворительно описывающих многие из относящихся сюда экспериментальных фактов. Большое число работ в этой области стимулировано простотой электронной структуры элементарных полупроводников (в частности, играет большую роль чисто ковалентная связь атомов в этих кристаллах), а также тем фактом, что полупроводниковая промышленность уже давно выпускает в больших количествах очень чистые бездислокационные кристаллы \?Ь и SI с содержанием легирующих примесей порядка Ю12 см~3 и меньше. Оба эти факта оказались весьма существенными для интерпретации экспериментальных данных, полученных на этих полупроводниках. В результате удалось построить непротиворечивые модели дислокационных энергетических спектров в (^С и Sl с минимальным числом дополнительных предположений.
Аналогичные исследования на полупроводниках группы А^В^ в настоящее время не столь результативны, как в случае элементарных полупроводников \тЬ и Si. До настоящего времени по этим вопросам было опубликовано всего лишь несколько работ, выполненных главным образом на пластически про деформированных кристаллах jrLjv и GctnS. Однако, вследствие отсутствия столь же чистых кристаллов соединений этой группы, как в случае &t и St, и сложности интерпретации полученных данных, что обусловлено, в частности, более сложной структурой этих кристаллов, общая картина явлений в этой области пока отсутствует. Поэтому дальнейшее исследование физических свойств полупроводников группы АдВ5 с дислокациями в на- стоящее время актуальны. ^ В качестве объекта исследования в настоящей работе выбран полупроводник Jh $>Ъ , электронная структура которого сравнительно хорошо изучена по сравнению с другими полупроводниками группы А3В5» причем в настоящее время выращиваются практически бездислокационные кристаллы этого соединения как п, , так и р-типа, с плотностью электрически активных примесей порядка Ю1^* см . Монокристаллы jh S>\o широко применяются в научных исследованиях и в промышленности при изготовлении различных полупроводниковых приборов. Поэтому изучение взаимодействия электронной подсистемы кристалла с дислокациями в кристаллах этого соединения представляет значительный интерес.
В связи с изложенным выше в задачи диссертационной работы входило:
Экспериментальное исследование влияния дислокаций на электрические свойства (проводимость, эффект Холла, магнетосопро-тивление) кристаллов
Выяснение на основе полученных данных характера влияния на электрические свойства кристаллов Shoo собственно дислокаций за счет взаимодействия болтающихся связей в ядрах дислокаций с электронной подсистемой кристалла и влияния электрически активных точечных центров, возникающих в кристалле в процессе пластической деформации.
В настоящей работе исследуются электрические свойства кристаллов У И- Ь Ь , пластически продеформиро ванных методом четырехточечного изгиба до различных значений радиуса кривизны. Накапливаемые при этом в кристаллах дислокации имеют краевые компоненты, обладающие сильновыраженными электрическими свойствами, и, следовательно, существенно изменяют электрические свойства кристалла в целом. Результаты измерений электрических свойств этих кристаллов дают возможность делать заключения о роли дислокаций и сопутствующих им точечных электрически активных центров в формировании электрических свойств продеформированного кристалла.
В опубликованных до настоящего времени работах по исследованию влияния дислокаций на электрические свойства кристаллов как правило, не проводилось четкое разделение влияния собственно дислокаций на электрические свойства исследуемых кристаллов и влияние точечных электрически активных центров, образующихся в кристалле в процессе пластической деформации, что во многих случаях исказило результаты исследования. Кроме того, в опубликованных работах исследования проводились на кристаллах, продеформиро-ванных при различных температурах, что существенно усложнило интерпретацию результатов измерений и сопоставление данных, полученных в работах различных авторов, так как оказалось, что конечные результаты существенно зависят от температуры, при которой деформировался исследуемый кристалл. Следует также отметить, что опубликованные до настоящего времени результаты исследований электрических свойств пластически продеформированных кристаллов CtaSo , как правило, были получены на образцах со сложной, а во многих случаях с неопределенной дислокационной структурой, что существенно искажает результаты измерений и ограничивает возможность их интерпретации.
Описанные в диссертационной работе исследования дали ряд новых результатов. В некоторых случаях уточнены результаты, полученные ранее другими авторами.
При исследовании раснределения ямок травления, возникающих на поверхностях пластически изогнутых кристаллов UH Ъ\э при травлении в травителе СР-4М, было показано, что травитель СР-4М выявляет ch (индиевые) иJ3 (сурьмяные) - дислокации одинаково эффективно и что формула Ная, связывающая радиус кривизны пластически изогнутого кристалла с плотностью дислокаций в кристалле, раздельно применима как к JL, , так и к J> -дислокациям. Эти данные позволили разработать методику приготовления кристаллических образцов Cfh,S& с упорядоченной дислокационной структурой с заданной плотностью дислокаций одного знака.
Исследование кристаллов 3h,S& с упорядоченной дислокационной структурой, получаемой при пластическом деформировании образцов в ориентации легкого скольжения методом четырехточечного изгиба при Т = 360С и очень малой скорости деформации { * 4-,5.10-- показало, что при данных условиях деформации введение в кристалл JhS& дислокаций всегда приводит к существенному усилению акцепторного действия в кристалле, независимо от типа проводимости кристалла и направления его изгиба.
Полученные экспериментальные данные дают возможность сделать вывод, что при малых скоростях деформации ( ± 4-,5.10-6 с-1) и температуре деформации 360С усиление акцепторного действия в кристаллах 3aS& при введении в него дислокаций обусловлено не прямым акцепторным действием болтающихся связей в ядрах дислокаций, а косвенным механизмом взаимодействия возникающих в процессе деформации точечных акцепторных центров с полем искажений кристаллической решетки вблизи ядер дислокаций. Измерен энергетический уровень этих центров.
Исследование электрических свойств быстро продеформированных образцов 3n$fe р-типа ( Ь = 750.Ю-6 с"1) при температуре деформации 360С показало, что влияние дислокаций на электрические свойства кристаллов $KSfa р-типа существенно зависит от скорости деформации кристалла. В частности, резкое увеличение скорости де- формации кристалла Jl So р-типа по сравнению с предыдущим значением Ь - 4,5.ICf6 с~% приводит к значительному ослаблению акцепторного действия в'кристалле (усилению донорного действия), так что знак влияния дислокаций на электрические свойства кристалла изменяется на противоположный.
Полученные данные дают возможность сделать вывод, что наблюдаемое в быстро пластически про деформированных кристаллах Jh $к> р-типа резкое усиление донорного действия обусловлено прямым взаимодействием болтающихся связей в ядрах дислокаций с электронной подсистемой кристалла.
При исследовании электрических свойств кристаллов Ofri So р-типа, пластически продеформированных при больших скоростях деформации, экспериментально обнаружено резкое уменьшение холлов-ской подвижности носителей тока, достигающее при температуре кипящего азота до порядка величины, что не может быть обусловлено имеющимися в кристалле электрически активными точечными центрами. Совокупность экспериментальных данных дает возможность предположить, что наблюдаемое аномально большое уменьшение холловской подвижности дырок обусловлено эффектом огибания линиями тока заряженных дислокаций в пластически продеформированных кристаллах.
Экспериментальное исследование зависимости магнитосопротив-ления пластически изогнутых кристаллов JK$b р-типа от магнитного поля показало, что при всех значениях магнитного поля в пределах от малых значений магнитного поля (100-300 гс) до 10000 гс магнетосопротивление пластически изогнутых образцов всегда меньше соответствующих значений магнетосопротивления контрольных образцов, продеформированных как при малой, так и при большой скорости деформации. В области сильных магнитных полей магнетосопротивление как контрольных, так и пластически продеформированных образ- цов возрастает с магнитным полем по степенному закону, причем показатель степени во всех случаях приблизительно один и тот же.
Анализ результатов измерений зависимости магнетосопротивле- ния кристаллов OftSfe р-типа, пластически изогнутых при 360С и малой скорости деформации (,= 4,5.КГ6 сек"1), показал, что пластически продеформированные при данных условиях кристаллы ха рактеризуются резким усилением акцепторного действия не только в зоне тяжелых, но также и в зоне легких дырок. Изменения концен траций носителей тока в обеих зонах пропорциональны. Подвижности носителей тока в зонах тяжелых и легких дырок меньше соответствую щих значений для контрольных образцов. Полученные данные хорошо согласуются с предположением, что усиление акцепторного действия в медленно продеформированных кристаллах р обусловлено точечными центрами, продиффундировавшими в процессе медленной деформации к ядрам дислокаций и активизированных полем микроискажений кристаллической решетки вблизи ядер дислокаций.
Анализ данных измерений зависимости магнетосопротивления кристаллов JJtSb р-типа, пластически изогнутых при 360С и большой скорости деформации ( = 750.ІСГ6 сек"*), показал, что пластически продеформированные при данных условиях кристаллы Ль SS р-типа характеризуются резким усилением донорного действия как в зоне тяжелых, так и в зоне легких дырок. Изменения концентраций носителей тока в обеих зонах пропорциональны. Подвижности носителей тока в зонах тяжелых и легких дырок существенно меньше соответствующих значений для контрольных образцов. Это различие в некоторых кристаллах достигает значений около порядка величины, что не может быть объяснено рассеянием носителей тока на ионизированных точечных центрах, вследствие малости их концентрации. Полученные данные хорошо согласуются с сделанным выше предполо- жением, что наблюдаемое в быстро пластически продеформированны± кристаллах OkSv р-типа резкое усиление донорного действия является следствием прямого взаимодействия болтающихся связей в ядрах дислокаций с электронной подсистемой кристалла, а аномально большое уменьшение подвижностей легких и тяжелых дырок свидетельствует о преобладающем вкладе в подвижности носителей тока заряженных дислокаций в кристалле.
Практическое значение проведенной работы определяется рядом полученных результатов, которые могут быть использованы в различных областях науки и техники.
Показано, что травитель СР-4-М выявляет на поверхностях плас тически продеформированных кристаллов -дислокации одинаково эффективно.
Разработана методика приготовления кристаллов УкЬю с упорядоченной дислокационной структурой с заданной плотностью дислокаций.
Экспериментально показано, что возникающие в кристаллах в процессе пластической деформации электрически активные точечные центры могут доминировать в формировании электрических свойств пластически продеформированных кристаллов. Установлены условия деформации,при которых это влияние практически не проявляется.
Показано, что при выбранных в данной работе условиях деформации электрические свойства кристаллов jta S& можно менять в широких пределах, вплоть до изменения типа проводимости кристалла, в зависимости от скорости деформации и плотности введенных дислокаций, что может быть использовано для направленного изменения электрических свойств кристаллов путем пластической деформации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. -\г-
В первой главе дан обзор работ по влиянию дислокаций на электрические свойства монокристаллов jyv$& .
Во второй главе описаны аппаратура и методики экспериментов,
В третьей главе приведены результаты исследования характеристик дислокационной структуры, образующейся в кристаллах J)^S6 при выбранных в настоящей работе условиях деформирования. На основе полученных данных сформулирована методика получения в кристаллах JJt->(? достаточно однородной системы краевых дислокаций заданной плотности, преимущественно направленных вдоль оси [lI2J.
В четвертой главе даны результаты экспериментального исследования влияния дислокаций на электрические свойства кристаллов 3ruSv» Исследование основывается на измерениях коэффициента Холла и электропроводности пластически продеформированных и контрольных образцов Зп$о . Найдены условия деформации кристаллов, позволяющие раздельно наблюдать влияние на электрические свойства кристаллов JibSv собственно дислокаций и электрически активных точечных центров, возникающих в кристаллах в процессе пластической деформации. Определен уровень энергии деформационных точечных дефектов.
В пятой главе даны результаты исследования влияния дислокаций на концентрации и подвижности легких и тяжелых дырок в кристаллах JKtSep-типа при температуре 77,4К. Экспериментальной основой этого исследования являются результаты измерений на контрольных и пластически продеформированных кристаллах зависимости магнетосопротивления и коэффициента Холла от магнитного поля в широком диапазоне значений магнитного поля. В начале главы экспериментально показано, что в кристаллах Ьг$& р-типа концентрации и подвижности легких и тяжелых дырок в области несобственной проводимости достаточно хорошо описываются двухзонной теорией в приближении независимости времени релаксации от энергии,
В заключении кратко перечисляются основные результаты диссертации.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту, сводятся к следующему.
Экспериментально показано, что при выбранных в настоящей работе условиях пластической деформации монокристаллов Эп, 56 травитель СР-4М выявляет об и^ -дислокации в продеформирован-ных кристаллах одинаково эффективно.
Экспериментально показано, что в монокристаллах 'Зк$& формула Ная, связывающая радиус кривизны пластически изогнутого кристалла с плотностью введенных в кристалл в процессе деформации дислокаций раздельно применима как к Jj , так и KjB> -дислокациям.
На основе данных экспериментального изучения пластичности монокристаллов jk Sfb при изгибе разработана методика введения в образцы однородной системы параллельных дислокаций заданной плотности с избытком дислокаций одного знака.
При исследовании образцов ^/н5>& р-типа с анизотропной дислокационной структурой, созданной в кристалле очень медленным пластическим изгибом при Т = 360С и 5 4,5.10-6 с"1, обнаружено резкое усиление- акцепторного действия в продеформированных образцах.
Показано, что наблюдаемое в пластически изогнутых кристаллах Лі So, продеформированных при Т = 360С и малой скорости деформации (- .4,5.10-6 с"1), резкое усиление акцепторного действия, имеющее место независимо от типа проводимости исходного материала, обусловлено не прямым акцепторным действием болтающихся связей в ядрах дислокаций, а косвенным механизмом взаимодей- ствия возникающих в процессе деформации точечных акцепторных центров с полем искажений кристаллической решетки вблизи ядер дислокаций. Измерен энергетический уровень этих центров.
Экспериментально обнаружено существенное усиление донор-ного действия в кристаллах Лгъ$ь р-типа, пластически изогнутых при больших скоростях деформации ( , = 750.10 с х). Показано, что характер влияния дислокаций на электрические свойства кристаллов jitS& р-типа существенно зависит от скорости пластической деформации образцов: при значительном увеличении скорости деформации кристаллов знак этого влияния изменяется на противоположный.
В быстро пронормированных кристаллах 3WS& р-типа обнаружено аномально большое уменьшение подвижности носителей тока, достигающее при температуре кипящего азота до одного порядка величины от соответствующего значения у контрольного образца. Показано, что полученные данные дают возможность сделать вывод,что наблюдаемые в быстро про деформированных кристаллах tftv$& р-типа эффекты, в частности, резкое усиление донорного действия и аномально большое уменьшение подвижности носителей тока, обусловлены прямым взаимодействием болтающихся связей в ядрах дислокаций с электронной подсистемой кристалла.
8. Экспериментально показано, что в кристаллах Йг^ё р-ти па в области несобственной проводимости электрические свойства образцов (электропроводность, эффект Холла, магнетосопротивление) хорошо описываются двухзонной теорией в приближении независимос ти времени релаксации от энергии. Полученная точность определе ния этих величин достаточна для раздельного определения концен траций и подвижностей носителей тока в зонах тяжелых и легких дырок в кристаллах $KS>b р-типа. Получено новым методом значе ние массы легких дырок.
9. Исследовано взаимодействие дислокаций в пластически про-деформированных кристаллах Jh,$i> р-типа с носителями тока раздельно в зонах тяжелых и легких дырок. Показано, что в медленно продеформированных образцах введение в кристалл дислокаций сопровождается резким усилением акцепторного действия в обеих зонах, сопровождающееся некоторым уменьшением подвижностей носителей тока, свидетельствующее о включении нового механизма рассеяния носителей тока в обеих зонах. Полученные данные хорошо согласуются с предположением, что в медленно продеформированных кристаллах наблюдается взаимодействие образующихся в процессе деформации точечных акцепторных центров с микроискажениями кристаллической решетки вблизи ядер дислокаций, в то время как в быстро продеформированных кристаллах наблюдаемые эффекты обусловлены прямым взаимодействием болтающихся связей в ядрах дислокаций с электронной подсистемой кристалла.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах [19,20,21,22,23,29^ и доложено на Ш Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках", Новосибирск, 1978 г.
