Введение к работе
Актуальность темы. Нейтронное легирование на ядерных реакторах является наиболее развитым разделом радиационной технологии полупроводников. К основным задачам этой технологии можно отнести исследование механизмов воздействия радиации на полупроводниковые материалы и приборы с целью прогнозирования их поведения в условиях радиационного воздействия, а также использование ее для получения полупроводниковых материалов и структур с заданными свойствами путем целенаправленного введения примесей или дефектов.
Уникальные возможности нейтронного легирования для создания полупроводниковых материалов связаны с получением точно задаваемой флюенсом нейтронов концентрации трансмутационных примесей и высокой однородности их пространственного распределения. Интерес к технологии нейтронного легирования вырос после того, как было показано преимущество нейтронно-легнрованного (НЛ) Si по указанным параметрам над традиционными технологиями легирования объемных материалов /1/. Процесс нейтронного легирования кремния связан с введением донорной примеси - 3,Р. В следующем по практическому использованию НЛ Ge ситуация сложнее, поскольку вводятся три трансмутационных примеси: основная - мелкий акцептор 7,Ga, а также мелкие и глубокие доноры 7SAs и 77Se. Вопросы, связанные с нейтронным легированием Si и Ge и их применением, в достаточной степени решены /1,2/.
Вместе с тем, в настоящее время широкое применение в качестве перспективных материалов полупроводниковой электроники находят твердые растворы полупроводников. Преимущество их перед элементарными полупроводниками состоит в возможности направленного регулирования важнейших параметров путем изменения состава. В частности, большой практический и научный интерес представляют твердые растворы Sii_xGex, например, в связи с созданием быстродействующих транзисторов на частоты свыше 100 ГГц. Этот интерес распространяется и на проблему их нейтронного легирования, что обусловлено возможностью получения однородно легированного материала различного типа проводимости в зависимости от состава твердого раствора. Теоретически возможно получение и диодных структур путем нейтронного легирования твердых растворов Si\.xGex с градиентом состава. В связи с этим представлялось интересным исследовать электрические и рекомбннационные свойства нейтронно-легированных твердых растворов Sii.xGex. При этом следовало решить некоторые задачи, связанные с исследованием отжига НЛ Si.
Цель работы заключалась в исследовании электрических и реком-бинационных свойств НЛ Si и НЛ твердых растворов Si/.x(icx со стороны кремния и возможности направленного управления их свойствами путем выбора исходного материала и флюенса нейтронов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Показано, что традиционно используемые для изучения отжига дефектов в НЛ Л7 методы многостадийного изохронного или изотермического отжига, проводящиеся последовательно на одном образце, могут приводить к результатам, отличным от получаемых при однократном отжиге. При однократном отжиге завершающая стадия восстановления основных параметров НЛ Si (проводимости и подвижности) может быть описана в рамках теории эффективной среды, где одна из фаз является восстановленной матрицей, а вторая - структурно нарушенной в процессе нейтронного легирования областью материала.
-
Изучены гальваномаг нитные и фотоэлектрические свойства НЛ твердых растворов ,V//.V67\ в области составов со стороны кремнии, определены их основные кинетические параметры и связь с компенсацией, составом, уровнем легирования и неоднородностью состава твердых растворов.
-
Определены рекомбпнационные параметры (энергетическое положение в зоне и сечения захвата носителей тока) глубоких двухзарядных трансмутационных примесей Se в НЛ твердых растворах Л/Ул67>л со стороны кремния.
4. Показано, чго нейтронное легирование твердых растворов Sii_x(iex позволяет получать однородное распределение электрически активных примесей в материале, направленно рейдировать компенсацию и термическою энергию ионизации основной примеси 67/ при изменении содержания 6V и флюенса ней тронов.
5 На основе нейтронной трансмутации нелегированных монокристалл пческт їх твердых растворов Sii.x(icx с градиентом распределения 67,' вдоль образца получены р-и структуры Исследованы свойства этих структур
Практическое значение. Показано, что нейтронное легирование твердых растворов Л7,.д67'д позволяет получать компенсированный материал с более высокой однородностью распределения легирующих примесей, чем другие способы легирования, когда допориая и акцепторная примеси вводятся независимо Нейтронное легирование позволяет также направленно регулировать компенсацию, энергии активации классического (S|) и низкотемпературного прыжкового (с() транспорта и оптическую
ширину запрещенной зоны при изменении состава (.v) и флюенса нейтронов. Предложен и апробирован метод расчета неоднородности распределения состава твердого раствора исходя из измерений неоднородности локального распределения проводимости в приповерхностной области НЛ твердых растворов Si/.,(iev Реализован метод получения р-п структур в процессе нейтронной трансмутации нелегированных монокристаллических твердых растворов Sit.x(icx с градиентом распределением Ge Результаты работы NtoryT быть использованы для разработки и получения полупроводниковых эталонов сопротивлений, диодных структур и фотоприемных устройств с направленно регулируемой спектральной чувствительностью и фоточувствителыюстыо
Достоверность и надежность результатов работы обеспечена тщательной проработкой всех сторон использованных экспериментальных мегодик, соответствием экспериментальных результатов и расчетов, а также использованием различных методик при получении и проверке наиболее важных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научной конференции "Радиационная физика полупроводников и родственных материалов" в Ташкенте в 1984 и 1989 гг., на 7 Координационном совещании по исследованию и применению твердых растворов германий-кремний в Баку в 1988 г., на 11 Научной конференции «Фотоэлектрические явления в полупроводниках» в Ашхабаде в 1991 г., на V1I1 координационном совещании по исследованию и применению сплавов в Ташкенте в 199] г., на И, III, IV Межотраслевом совещании «Радиационная физика твердого тела» в Севастополе в 1992, 1993 и 1994 гг., на 13 Совещании по использованию нейтронов в ФТТ в г Зеленогорске в 1995 г., на III Российско-Китайском симпозиуме «Перспективные материалы и процессы» в Калуге в 1995 г.. на Международной конференции «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах» в Ульяновске, в 1997 г.
Публикации. Основные результаты работы содержатся в 13 публикациях, список которых приведен в конце реферата.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Кинетика процессов восстановления свойств нейтронно-легированного .V/ на завершающей стадии описывается теорией эффективной среды, где одна из фаз является восстановленной матрицей, а вторая - структурно
\
нарушенной областью материала, возникшей в процессе нейтронного легирования.
-
В твердых растворах Sit_xGex (х<0.\) поведение термической энергии ионизации изолированной примеси Ga (Є/) с увеличением содержания германия (л:) может быть аппроксимировано линейной зависимостью Є; = /(0)- деі/дх-x, где д&іідх = 1 мэВ am. %, а величина термической ионизации Е;(0) совпадает с оптическим значением для кремния.
-
Энергии ионизации и сечения захвата носителей для глубоких двухзаряд-ных донорных уровней Se в нейтронно-легированных твердых растворах Sii.xGex со стороны .ft' составляют:
Е, =ЕС - 0,27 ±0,02 эВ, а„ =610~16 см2 (150< Т, К <200), Е2 =с - 0,49 ±0,03 эй, а„ =2-10 ~16 слГ (230< Т, К <300), что соответствует известным данным для SL
-
Исследование неоднородности локального распределения удельного сопротивления нейтронно-легированных твердых растворов Sit.xGex в приповерхностной области позволяет оценивать величину неоднородности распределения состава исходного твердого раствора
-
Нейтронное легирование твердых растворов Sij.xGex позволяет получать материал с высокооднородным распределением примеси и направленно регулировать компенсацию и термическую энергию ионизации основной примеси Ga при изменении составах и флюенса нейтронов.
7. Нейтронное легирование твердых растворов Sii^Gex с градиентом содержания Ge позволяет получать диодные структуры с локализацией р-п перехода в области состава х=0.68 ат.%.
Структура н объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, включая 111 страниц машинописного текста, 40 рисунков и 2 таблицы.
