Введение к работе
І. Актуальность темы.
В последние годы интересы исследователей, изучающих неупоряцочегаше системы, все больше смешаются в область аморфных материалов и, в частности, аморфных полупроводников. Это обусловлено прежде всего возрастающим масштабом их практического применения. В настоящее время на основе аморфных полупроводников созданы солнечные батареи, разнообразные структуры с р-n и p-i-n переходами, транзисторы, элементы ИК-оптики и различные датчики.
Характерной особенностью аморфных твердых тел является отсутствие трансляционной инвариантности, что вносит значительные трудности в теоретическое описание физических свойств такого рода объектов. Несмотря на это, в последние годы достигнут заметный прогресс в понимании кинетических и оптических свойств систем со случайным потенциалом.
Рассматривая объекты, с изучением которых связаны успехи физики некристаллических твердых тел последнего времени, можно убедиться, что в большинстве случаев речь идет о материалах, полученных с помощью тонкопленочной технологии, и было неясно, какую роль в свойствах пленок играет ігх квазіщвумерность, а какие свойства присущи разупорядоченной атомной сетке. Однако сравнительно недавно был развит метод твердофазной аморфизации (ТФА), использующий фазу высокого давления (ФВД) исследуемого вещества и позволяющий получать аморфные образцы заметного объема |1,2]. Это дало возможность изучать физические свойства трехмерных аморфных систем. Кроме того, образцы, получающиеся при использовашш данного метода, качествешю отличаются от пленок, так как, в отличие от тонкопленочньгх технологий [3], твердофазная аморфизация вещества при использовании ФВД обусловлена малоизучешгыми на сегодщтшний день особеїпіостями динамики решетки при неравновесных фазовых переходах.
Феномен твердофазной аморфизацші до сих пор не имеет
удовлетворительного теоретического описания. Имеющиеся
теоретические коїщеицші либо не обладают достаточной общностью,
либо не вполне адекватно описывают реальные процессы. Следует
заметить, что в основном ТФА с использованием ФВД наблюдалась
на многоатомных веществах, что послужило отправной точкой ряда
теоретических моделей. Поэтому возможность аморфизации
моноатомных веществ остается вне их рамок.
Еще одна проблема, которая возникает в этой связи- это взаимосвязь электрофизических и структурных свойств аморфных полупроводников, получаемых с помощью фазы высокого давлеотш (АПВД), с условиями синтеза и дальнейшей обработки. Наиболее полно в этом смысле исследован объемный аморфный антимонид галлия, a-GaSb, синтезированный закалкой в условиях высокого давления, и соединения на его основе. В частности, ранее было установлено [4], что повышение температуры синтеза до 800С при давлении 9GPa индуцирует в этой системе переход изолятор-металл и
появление в образцах сверхпроводящих включений состава GaxSbi_x. с
критическими температурами 8К (х>0.8) и 4К (х>0.5). Образцы с
температури синтеза, большей 800С (металлические) исследовались
ранее, тогда как свойства образцов с диэлектрической стороны
перехода практически неизучены. Отметим также, что
метастабильность аморфного антимонида галлия при нормальных
условиях позволяет рассматривать его как модельный объект для
изучения природы твердофазной аморфизации. Поэтому с этой точки
зрения, а также для практических приложений, значительный интерес
представляет систематическое исследование зависимости
электрофизческих свойств a-GaSb от условий синтеза и последующей обработки.
Целью настоящей работы являлось исследование электрофизических характеристик a-GaSb как с диэлектрической (Tsyn<800C), так и с металлической (Т8ХП>800оС) стороны перехода металл-изолятор, а также ислледование электрофизических, оптических и структурных свойств метастабильной фазы высокого давления кремния Silll в процессе релаксации.
Научная новизна работы.
Впервые проведена независимая оценка параметров локализованных состояний: радиуса локализации и плотности состоянии на уровне Ферми, а также их изменение при отжиге аморфных образцов a-GaSb. Установлено, что на начальном этапе релаксации аморфной матрицы происходит генерация точечных дефектов, в то время как длина среднего порядка возрастает.
Установлено, что при термобарической закалке кристаллических образцов GaSb повышение давления синтеза Psyn до 5Gpa при температуре синтеза 1^=110(^0 приводит к появлению сверхпроводимости, обусловленной появлением в образце нестехиометрических включений GaxSbi.x с х>0.5. При этом-для образцов с давлением синтеза, лежащим в интервале 5-6GPa появление сверхпроводящих свойств не сопровождается аморфизацией образца.
Исследованы перколяционные свойства кластера
сверхпроводящих включений в проводящей матрице в окрестности порога протекания. Установлено, что критический показатель проводимости равен q—1±0.01, что согласуется с теорией Шкловского-Эфроса. При понижении температуры наблюдаются отклонения от закона Шкловского-Эфроса, обусловленные слабыми связями между включениями.
Исследовано влияние примеси IV группы-германия на тип проводимости объемного аморфного полупроводника a-GaSb:Ge и установлено, что при концентрации германия 14 ат.% имеет место инверсия типа проводимости.
Проведено комплексное исследование релаксации метастабильной фазы высокого давления Silll с применением различных методик: реттенострукгурного анализа, комбинационного рассеяния света (КР) и измерения электрофизических характеристик образцов. Установлено, что релаксация метастабильной фазы высокого давления может сопровождаться значительным
разупорядочением и в том случае, если исследуемое вещество моноатомно и координационные числа в стабильной и метастабильной фазах совпадают.
Практическая ценность результатов работы. Результаты данной работы способствуют дальнейшему развитию знаний о природе и свойствах аморфного состояния полупроводшпсов и облегчат поиски полупроводниковых материалов с новыми свойствами.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на XIV Международной конференции по аморфным полупроводникам (Гармиш-Партенкирхен, 1991 г.), на II Всесоюзной конференции по физике стеклообразных твердых тел (Рига-Лнелупе, 1991г.), на ГУ" Международной школе-семинаре по проблемам физики твердого тела и высоких давлений (Туапсе, 1995 г.), а также на научных семинарах ФИ РАН (Москва), ИОФ РАН (Москва), МГУ, ИФ'ГГ РАН (Черноголовка), ИФВД РАН (Троицк).
Публикашги
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Струтура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 108 наименований и приложения. Общий объем работы сотавляет 165 страниц, включая 37 рисунков и 5 таблиц.
