Введение к работе
актуальность темы. Работа посвящена экспериментальному сследованию релаксации возбуждения доноров V и акцепторов III рупп в алмазоподобных полупроводниках - кремнии, германии и алмазе
и связана с одной из фундаментальных проблем физики олупроводников и полупроводниковой электроники - проблемой инетики электронных переходов в легированных полупроводниках.
В легированных и компенсированных алмазоподобных олупроводниках наиболее эффективным процессом, определяющим елаксацию неравновесных носителей заряда при монополярном озбуждении, является захват на притягивающие примесные центры. Іменно этот процесс быстрой рекомбинации обеспечивает высокое ыстродействие фотосопротивлений на основе алмазоподобных олупроводников. Интенсивное исследование захвата на притягивающие римесные центры в полупроводниках ведется уже более тридцати лет. Физическая природа гигантских сечений захвата, на несколько порядков ревышающих геометрические сечения невозбужденных примесей, первые была объяснена М. Лэксом [1]. Разработанная к настоящему ремени теория каскадного захвата на притягивающие примесные ентры [2], основанная на идее М. Лэкса, хорошо согласуется с кспериментальными данными. Суть каскадной модели захвата состоит в эм, что носитель захватывается не в основное состояние примеси, а в цно из высоких возбужденных состояний и затем диффундирует вниз о энергетической "лестнице" близко расположенных возбужденных ровней примеси, испуская и поглощая акустические фононы.
Однако, модель каскадного захвата не учитывает дискретного тергетического спектра примесей и предполагает наличие близко асположенных возбужденных уровней, расстояние между которыми амного меньше энергии характерного фонона, с участием которого гуществляется переход. При этом узким местом считается захват осителя из зоны на высокий возбужденный уровень, а темп релаксации
возбужденных состояний предполагается достаточно большим. Однак, по мере того как носитель движется вниз по возбужденным уровняй величина энергетических ступенек между уровнями возрастает. В это! случае внутрицентровые безызлучательные переходы могут стат достаточно медленными, а время жизни носителей на таки: возбужденных состояниях может существенно превысить времена ЖИЗН1 свободных носителей. Такие долгоживущие возбужденные состояни примесей должны существенно влиять на процессы релаксациі неравновесных носителей заряда. К настоящему времени имеется очен небольшое число работ [4-1], связанных с исследованием долгоживущи; возбужденных состояний примесей. Расчеты, проведенные В [4] ДЛ! акцепторов в германии, показывают, что вероятности переходов межд; высокими возбужденными состояниями примесей на 1-2 порядк; превышают вероятность фононного перехода из низшего возбужденной состояния 1Г8" в основное состояние акцептора 1Г8+. Время жизні 1Г8" - возбужденного состояния составляет - 10"'с и согласуется і экспериментальными данными, полученными при исследованш мапштопримесных осцилляции [6] и субмиллиметровоі фотопроводимости [7] в p-Ge. Времена жизни возбужденных состоянш 2р0 доноров в германии намного меньше (~ 10_9 с) [5] и в условия) эксперимента [7] не превышали времена жизни свободных электронов.
Исследование внутрицентровой релаксации может дать информации о временах жизни и заселенности возбужденных состояний примесей і роли долгоживущих возбужденных состояний в процессе релаксацій неравновесных носителей заряда. Экспериментальное исследование процессов внутрипримесной релаксации в алмазоподобныэ полупроводниках является актуальным также в связи с тем, чт( германий и кремний являются теми полупроводниками, в которы> наиболее детально исследовались процессы фотовозбуждения и захват: носителей заряда, а легированный алмаз в последние годы привлекает внимание как новый материал полупроводниковой электроники Процессы релаксации возбуждения в полупроводниковом алмазе
сследованы совершенно недостаточно. Исследование явлений, вязанных с накоплением неравновесных носителей заряда на олгоживущих возбужденных состояниях примесей III и V групп в гсмазе, кремнии и германии, является целью работы.
В алмазоподобных полупроводниках валентная зона и зона роводимостн имеют сложную структуру. С этим связан нетривиальный во многом интересный спектр возбужденных состояний доноров V и кцепторов III групп в этих полупроводнихах. Наинизшими озбужденными состояниями доноров являются lS(rS,r3) - состояния, бразованиые за счет долии-орбитального взаимодействия. В случае кцепторов в алмазе и кремнии наинизшнми являются 1S(I7+) -озбужденные состояния, образованные за счет спин-орбитапьного заимодействия. Следует отметить, что все расчеты, связанные с этими остояниями, выходят за пределы применимости метода эффективной ассы. В силу одинаковой четности дипольные излучательные переходы ежду этими возбужденными и основным состояниями запрещены, а асчет вероятностей переходов с участием фононов является сложной здачей. Поэтому экспериментальные исследования этих состояний меют принципиальное значение.
В работе показано, что времена жизни носителей на этих озбужденных состояниях на много (4-6) порядков превышают времена :изни свободных носителей заряда, а накопление носителей на этих олгоживущих возбужденных уровнях приводит к возникновению новых ффектов - прыжковой фотопроводимости по долгоживущим озбужденным состояниям примесей в постоянном и микроволновом пектрических полях, медленной релаксации индуцированного оглощения и инфракрасному поглощению при энергиях, меньших нергии ионизации примеси.
(аучная новизна (основные положения, выносимые на защиту).
Обнаружена прыжковая примесная фотопроводимость по озбужденным состояниям примесей III и V групп в алмазе, кремш.и и
германии, величина которой на несколько порядков может превышат; фотопроводимость, обусловленную свободными носителями заряда Установлено, что прыжковая фотопроводимость обусловлена большимі временами жизни возбужденных состояний примесей, на несколькі порядков превышающими времена жизни свободных носителей заряда.
2. Предложена модель прыжковой фотопроводимости в постоянном і
микроволновом электрических полях, основанная на явленні
накопления носителей заряда на долгоживущих возбужденны:
состояниях примесей. Показано, что модель хорошо согласуется
экспериментальными результатами.
3. Обнаружено инфракрасное поглощение с большими временам!
релаксации, связанное с существованием долгоживущих возбужденны:
состояний примесей. Энергетические положения долгоживущи
возбужденных состояний определены по термической энергии активациі
фотопроводимости и спектрам инфракрасного поглощенш
Установлено, что энергии этих уровней соответствуют наинизшиї
возбужденным состояниям примесей, образованным за счет спин
орбитального взаимодействия для акцепторов и долин-орбитальног
взаимодействия для доноров в алмазоподобных полупроводниках.
Практическая значимость работы заключается в разработке апробировании методов диагностики полупроводников:
1. Показано, что по донорно-акцепторной люминесценции можн
быстро оценивать произведение концентраций доноров и акцепторов
кремнии. На примере кремния, легированного бором и галлием
компенсированного фосфором, показано, что метод являете
эффективным и экспрессным в диапазоне концентраций основно
примеси 10І5-ЮІ7 см"3 и компенсирующей примеси - 10І2-ЮІ4 см"3.
2. Разработан и опробован метод бесконтактного измерения времен
релаксации примесной фотопроводимости при микроволново
напряжении смещения, позволяющий определять времена вплоть л
10*9 с в интервале температур 80 - 4,2 К.
Ь. На примере алмаза, легарованного бором, показано, что сарактеристики примесного болометрического фотоответа можно іспользовать для определения произведения подвижности свободных юсителей заряда в полупроводниках на время их жизни.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: X Всесоюзной конференции по физике полупроводников ( Минск, 1985г), KU Всесоюзной конференции по физике полупроводников Киев, 1990г.), V Международной конференции по мелким примесям в шлупроводниках (Лондон, 1990г.), I Российской конференции по ризике полупроводников (Нижний Новгород, 1993г.), 22 Международной конференции по физике полупроводников (Ванкувер, Канада, 1994г.), Иеждународном симпозиуме по исследованию полупроводниковых іриборов (Шарлоттсвиль, США, 1993г.), III Международной конференции по новым технологиям и научным достижениям в ісследовании алмаза (Гейдельберг, Германия, 1992г.), X Международной сонференции по центрам с мелкими уровнями в полупроводниках Беркли, США, 1994г.), на научных семинарах ИРЭ РАН и ФИРАН ш. П.НЛебедева.
Зубликации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ, :писок которых приведен в конце автореферата.
Эбъем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4 лав и Заключения, содержит 2.1Ц- страниц, включая S2 рисунка і библиографию из і20 наименований.
