Кинетические эффекты в классических полупроводниках (германии и кремнии) при низких температурах Банная, Вера Федоровна

Введение к работе

Актуальность. Среди большого клеста полупроводниковых материа-!С2 существует небольшое количество -^'.тентов, физические явления і которых несмотоя на более чем пгуіі'ц.'і!;о*ууга историю исследования, [влятатся предметом постоянного ве-їСчх'р-^^-го внимания. К ним отно-іятся те полупроводники, технолог:-^ по*чтения которых позволяет іоздать совершенные по структуре монокристаллы с малым содержанием істаточних примесей, что делает воэмояни любое дозированное леги->оас.;не и компенсацию, то-есть создание полупроводников с заданны-т параметрами. Последнее обеспечивает, с о,і«іой стороны, широкое фактическое использование этих материалов, с другой ;- позволяет юделировать целый ряд физических явлений. Лидирующее положение в >той группе полупроводников занимают Gg и ol . Германий и креы-іий являются "пионерами" по исследовании физических-свойств полу-їроводников. Многолетнее изучение их привело к достаточно полному існиманию строения зонной структуры, процессов переноса^ измерению ; высокой степенью точности таких параметров как шркна зшгрєїден-юй зоны, эффективные массы электррнов и дырок (в том числе легких шрок), энергия ионизации мелких водородоподобнкя: примесей и т.д.

Вместе с. тем, именно потому, что изучение 6 И <* интеп-ііівко проводилось на ранних стадиях развития полупроводниковых технологий получения и очистки материалов, большинство рабо? по «следованию процессов переноса в G& я Si выполнено на сравните-іьчо "грязных" монокристаллах с содержанием остаточных примесей Ma+ty) & ^см ^^и дальнейшего легирования от этого уровня), існо, что такое значение концентрации примесей существенно сказы-зается на механизмах рассеяния энергии и импульса носителей заря-іа, процессах рекомбинации и т.д.

В последующие годы были получены качественно новые монокрис-галлы Ge и SC , содержащие либо очень малую концентрацию остаточных примесей ("-10 + 10^і см ), либо легированные разными 10 химической природе примесями, с заданной степенью компенсации

IX.

Большой вклад в развитие технологий получения таких материа-юв, методов их высокой степени очистки и прецизионного легирова-<ия различными примесями, внесли исследоЕ -шя, проводимые в

-ч -

ГИРЕД4ЕТе. Многолетняя совместная работа автора с группой сотру; ников (в составе коллектива Проблемной Радиофизической лаборато] МПШ им.В.Ц.Ленина) с технологами Гиредмет оказалась исклочителі продуктивной. С одной стороны, степень очистки за годы совместні работы улучшилась почти на четыре порядка (c«v Кг \до~ 10 см""* с другой, - проводя гальваномагнитные измерения большого числа < разное, мы получили широкую возможность исследования уникальных материалов: либо столь чистых, что в кинетических эффектах не а зывалось рассеяние энергии и импульса носителей заряда на приме< либо легированных основными примесями на ничтожно малом фоне ко! пенсїфуощих и поэтому имеющих при низких температурах большое ч до нейтральных центров, которые сказывались на процессах рассея и рекомбинации носителей заряда. Наконец, мы получили возможное проводить исследования на образцах, концентрация и степень комп сации примесей в которых,варьировались в очень широком диалазої

Исследование кинетических процессов в таких монокристаллах «<>5t показало ряд особенностей в уже ранее изучавшихся явлениях наличие совершенно новых результатов.

Настоящая работа посвящена широкому экспериментальному исследованию качественно новых полупроводниковых материалов: моно кристаллического (5е и $>1 , предельно очищенных и легированных разнши по химической природе примесями.

Содержанием работы непосредственно является изучение в так материалах кинетических эффектов, связанных с разогревом носите заряда при низких температурах возбуждающим излучением или злен рическим полем, включая электрический пробой примесей, а также влияние химической природы примесей на гальваномагнитные эффект Эти Вопросы представляют существенный как научный так и приклад ной интерес.

С точки ярения фундаментальных физических исследований, процессы разогрева носителей заряда связаны с изучением механия нов релаксации энергии и импульса, формирующих функцию распреде пня электронов и дырок по энергии, и механизмами кх рекомбинапи Причем, эти явления париеяг от вида возбуждения носителей заря/ температуры решетки и концентрации примесей.

Разопрев носителей яаряда электрическим полем наиболее эффективен в еяе . Большая чувствительность к внешнему воядейстни позволяет в нем в сравнительно небольших электрических полях

- '^s~

,1-S -. 100 В/см) проследить все стадии разогрева. В этой эада-тесно связаны такие важнейшие проблемы как свойства мелких присей, горячих носителей заряда и пронесен рекомбинации. Кроме того,

является наиболее "удачным" моделям материалом для изучения іимееного пробоя, так как малая энергиД ионизации примесей позволя-' получить пробой их в небольших глгктри'-шских полях*

Фотопроводимость в условиях разогрела носителей заряда ьозбуи-ікхдим излучением является более тонкий физическим эффектом, кото-, їй также связан с механизмами релгклацйк энергии и .тмпульса и меха-ізмами рекомбинации носителей заряда. Степень разогрева в этом слу-ю """'исит не только от возбуждающего излучения, но и от соотногае-ія времени релаксации энергии и времени жизни носителей заряда при інной температуре решетки, что в значительной мере определяется ви-іьГк концентрацией примесей. Таким образом, изучение процессов ра-іграва носителей заряда тесно связано с вопросами определения кон-гнтрапии примесей и изучения их свойств,

Исследование всех этих проблем имеет также большое прикладооз тчение. На основе примесного пробоя работают, например, полевые эанзистори при низких температурах, лавино-пролетиые диоды, гене-іторн шума. Кроме того, имеется большой класс устройств, работайте на горячих носителях заряда. Для разработки таких приборов не-5ходима информация о возможности управления пробоем, о влиянии на зго различных факторов.

Практический интерес к исследования фотораэогрева связан, главам образом, с разработкой приемников излучения (в особенности низ-этеипературных). Их параметры (рабочая область частот, чувстви-зльность, инерционность), как известно, определятся процессами, энерапии* рассеяния и рекомбинации носителей заряда.

К началу нашего исследования степень понимания физических провесов разогрева носителей заряда возбуждающим излучением и злектри-эским полем (включая пробой примесей) была существенно неодинако-а. К этому времени имелось большое число орягинальных работ и монорафий, посвященных теоретическому и экспериментальному исследова-кю горячих электронов в полупроводниках, содержащих значительный энцентрапизэ примесей ( Ы % 10 см ). Интерес к примесно-у пробоя в ( вызвал появление большого числа работ, посвячених этой проблеме /ї-lOj. Среди них важную роль играют исследова-ия Э.И.Заварипкой, выполненные в ФИАН СССР /5,?'. Полученные данью позволили установить природу примесного пробоя* обнаружить али-гіие на него концентрации примесей, магнитного поля, температуры.

- -Долучеше предельно очищенных полупроводниковых материалов их практическое использование привело к постановке новой проблем не рассмагривавшейся ранее: изучении примесного пробоя (и йеха-ниамов разогрева) в чистых « и Si. , Это позволяет существенно упростить задачу, рассматривая явления в условиях рассеяийя эне гии только на колебаниях решетки, так как лримесь играет двояку* роль в пробое: являясь объектен ионизации, она в то же время вл* ет на рассеяние энергии и импульса. Кроме того, в последнее врези появились новые теоретические работы по горячим носителям, ыеха-низыу пробоя, теории рекомбинации: В.А.Чуенковш создана теория разогрева, где учтено влияние зонной структуры полупроводника и магнитного поля /8,Ц7; появились теоретические работы В.Н.Абак> мова, И.Н.Яссиєеич, Л.Н.Чрещук /Ї2-І37,-внесшие уточнение в теорию рекомбинации Лэкса /Ї4/. В них таїсже рассмотрено влияние на ыехЕНИзмы рекомбинации электрического и магнитного полей. Все at Потрео'свало новой экспериментальной.проварки полученных рэзульгг

ТОВ.

..Фотопроводимость &SK. Si хотя и изучяётся очень давно, но воскожность "разогрева" фотопосителей светом д» последнего ppev.e ни не принималась во внимание, йто не случайно, так как само so: никновение этого вопроса стало возмчжкда лишь благодаря вксокомз уровню развития технологии полупроводников,- техники эксперимент и знаний о кинетических явлениях в полупроводниках, достигнутых последние годы.

Теория фоторазогрева развита в ряде раоот /15-187. Из нее следует, что, если время жизни фотовозбужденных носителей, определяемое числом центров рркомбинации, оказывается меньше или cpf нимым со временем релаксации энергии, то они не.успевают за Epes жизни придти в равновесие с решеткой и рекомбинируют герячими -возникает .фот;»разогрев. Экспериментально этот эффект исследован мало, что связано. на< с .достаточной новизной.вопроса, гак и со сложностью постановки эксперимента (гелиевые температуры, монохроматическое возбуждение носителей, заряда, шибкий спектр возбуждения и.диапазон -изменения концентрации примесей).

Работа по экспериментальному изучении этих проблем проведи лись -практически.параллельно в нескольких научных лабораториях. Среди нихгосновные: лаборатория Калашникова СТ._'ЛР0 А:1 СССР (р; боты Калашникова С.Г., Ждановой Н.Г. и др. /1^-2Q7, Годика Э.Э. Покровского Я.К., Синиса В.П. .и др. /21-2^7; -лаборатория-'при.ка федре полупроводников И'У им.В.И.Ломоносова (работы Бесфамиль-

-7^

ной В.А., Остробородовой В.В. и др. /53-247{ проблемная радиофизическая лаборатория при МП1И иіл.В.И.Ленина /25-297," лаборатории ГИРВДМЕГ (работы, связанные о получение и исследованием новых полупроводниковых материалов /30-33,3g-^l/).

Таким'образом, актуальность исглакдйания кинетических явлений в Д?и Si.nw низких температур-* связана, как с созданием/ качественно новых, ионокристаллов $-^р^по_упроводников, в которых эффекты разогрева носителей заряда Электрическим полем или возбуждающим излучением) обстоятельно и^ изучались, а также с необходимостью экспериментальной проверки новых теоретических результатов, учитывающих сложность зонной структуры полупроводников, влияние магнитного поля и температуры на механизмы разогрева и рекомбинации, и, наконец, практической потребностью определения параметров материалов при их использовании.в тех или иных электронных устройствах.

Предмет и цель исследования. Целью реботы являлось изучение при низких температурах разогрева носителей заряда возбуждающим излучением и электрическим полем в германии и кремнии, особенностей этих механизмов в чистых и некомпенсированных материалах, исследование зависимости примесного электрического пробоя в чистых&Sи Si ст степени коміюнеаиии примесей (п широком диапазоне К ), а также:изучение слияния на механизмы разогрева и пробой м&гнитного поля, температуры, «окцептрацйи центроБ рекомбинации и способа возбуждения носителей заряда.

При выполнении исследований большое.внимание уделялось во
просам точности определения параметров материала, соответствия их
структуры рассматриваемым моделям и, в связи с этим, - границ при
менимости холловеких методов определения раздельной концентрации
примесей. . , -у .

Выбор германия и кремния в качестве объектов комплексного ис
следования электрических явлений пра низких температурах, как уже
отмечалось, определяется рядом факторов. Большой чувствительно
стью к внешнему воздействию, наличием материалов с широким диапа
зоном изменения параметров} "модельностью"этих материалов,их ои-
роким практическим использованием. .>.-у

Научная новизна. В результате проведенных исследований получен ряд новых результатов, главные из которых могу* быть сформу-вированы следующим образом.

І. Определены граниш применимости к точносте ходловского

-«-

метода определения раздельной концентрации примесей в случае о, ной и двух основных легирующих примесей. Показано, что только : первом случае.этот метод обладает достаточной точностью и нале; ностью, во втором - имеет существенные ограничения, связанные соотношением концентраций основных и компенсирующих примесей, энергии ионизации их.

1. Подробно изучены основные закономерности поведения в г мании примесей, обладающих высокой подвижностью (большим козфф циентом диффузии): лития и ртути, легирование которыми имеет п тическую значимость. Показано, что особенности галованомагнитн эффектов и разогрева носителей заряда электрическим полем в та материалах, могу? быть объяснены возникновением в матрице обра областей локальной перекомпенсации примесей. Изучены свойства этих областей в зависимости от уровня легирования.

2. Предложен способ "корректного" учета вклада различных ,ханиэмов рассеяния импульса, носителей заряда в результирующую подвижность. Уточнен способ определения концентрации компеисщ; щей примеси по величине подвижности носителей заряда при фикс» рованной температуре.

3. По результатам исследования разогрева носителей зарядг электрическим полем в п - и р - Єє в условиях собственного фоэ возбуждения в широком диапазоне полей и генераций, показана сі ведливость модели рекомбинации фотоносителей через глубокие П| месные центры. Предложен метод определения концентрации глубо! примесей в случае, когда их содержание много меньше концентра! мелких примесей»

4. Впервые подробно изучена зависимость поля ниокотемпер) ного примесного электрического пробоя мелких примесей ( Е*р ) степени их компенсации в предельно очищенном П. - п р - 65» с с; марной концентрацией примесей /\4 ⁺ А/в< 5x10^і cm~^j ни больше] числе образцов в отроком диапазоне значений М і обнаружено уві чеше ф с ростры К .

Предложена модель расчета кинетических коэффициентов хор описывающая экспериментальные результаты.

Объяснены механизмы охлаждения носителей заряда в сильно пенсированных образцах, приводящие к существенному увеличению ля пробоя (междолинные переходы в п - (Ре, рассеяние энергии оптических фононах -ар- &)

Изучено влияние магнитного поля, температуры и интенсивн фотогенерации на величину Еар.

По аналогии с германием, выполнен расчет s висиыости Єпр(к) чистом SL, проведено сравнение теоретической кривой с очень многочисленными экспериментальными данными.

6. Исследовалось явление фоторазсгр-зва носителей заряда
збуждающим излучением в легированных Qe. и St.

Подробно изучена зависимость зраиени жизни фотовозбужденных ірок *Z^?ot концентрации центров рекомбинации А/д в Si : В и « : &а.: обнаружено ослабление аэрйна^^^ ""7/ при ^/д-^ Ю Г . Полученная экспериментальная зависимость хороио описывает-' теорией фоторазогрева /Ї7/.

Объяснено влияние нейтральных примесей на процессы рскомби-іции фотоноеителей в легированием и практически некошенсирован->ы (? и Si . приводящее к резкому уменьшении и сильной темпера-ркой зависимости среднего времени жизни фотоноситэлей.

7. Экспериментально исследованы осцилляции фотопроводимости
Ш) в $1 : & wGe. \Zn в условиях "промежуточного⁴ фоторазогрз-
\ носителей заряда.

Изучено влияние магнитного поля на глубину ОФП: обнаружено іеньшєнио глубины осцилляции с ростом напряженности поля (И ).

На основании теоретической оценки ОФП, предсказано суцестве-іние'остаточных осцилляции з сильных И и природа насыщения глу-шы осцилляции с ростом А/ . Лолучено хорошее соответствие теерэ-гаеских и экспериментальных результатов.

8. Впервые экспериментально обнаружено существенное зозряс-шие среднего времени жизни горячих носителей заряда в квантовых ігнитних полях. Исследована зависимость аффекта от величины гектрического псля, магнитного.поля и вида генерации. Полученные ззультаты качественного согласуются с тоориой рекомбинации носи-злей завада з греющих электрических к квантовых магнитных, полях:

9. Уточнены, в ряде случаев эяерэык определены мэкстсрыз ки-іїицсїскио. характеристики:

ПЧотности состояний я соответствующих- гонах 'и факїор вырождения

орцовного состояния ъ(з к SLl

соотношение мехуіу концентрациями легких и тяжелых дырок в &>

энергетическая зависимость сечения ударной ионизации п &е ;

получены значения коэффициентов захвата дырок на отрицательно

заряженный 3 в Si и &х в Єє. і

определены температурные зависимости кс ффициентов захвата ды-

-JO —

рок в^еи й.

Эти положения выносятся на защиту.

Практическая ценность работы состоит в следующем*

1. Впервые разработана и создана гелиевая установка для
холловских измерений высокоомных образцов ( & 10* Ом) в диапа
зоне температуры 2 4" 7^-300/^ на которой в течение почти 25 лв!
проводились серийные измерения параметров , и других полу
проводниковых материалов, полученных в.ГМРВДкЕТ и на отечествен
ных заводах.

Созданные позднее более совершенные установки использовали ряд элементов конструкции описанного холловского стенда и криогенного макета.

2. Исходя из анализа физических процессов в исследуемых ма
териалах, разработаны, предложены и аплробированы на большом чис
ле образцов экспресс-методики определения раздельной концентра
ции примзсеП, которые могут быть использованы для контроля ка
чества полупрояодниковых материалов в условиях заводских лабора
торий :

определение степени компенсации причесей в материалах с известной легирующей примесью из измерений постоянной Холла ( f?n ) при фиксированном значении Т в низкотемпературной области;

определение разностной концентрации примесей в материале р -типа проводимости по температуре инверсии знака постоянной Холла;

определение концентрации компенсирующей примеси s легированной Si из значений /йгпри 7*» ??A'j

определение степени компенсации примесей по величине поля примесного пробоя в чистом <9ei

определение концентрации глубоких примесей по точка инверсии знака постоянной Холла в зависимости от интенсивности межзонного подсвета,*

оценка концентрации компенсирующей примеси по величине подвижности носителей заряда при фиксированной температуре.

3. Разработаны и созданы криогенные макеты и измерительные установки, позволившие провести исследование электрического и фо-тораэогрева носителей заряда, электрического пробоя в 6? и Sc и исследование этих эффектов в широком диапазоне концентраций примесей, электрических и магнитных полей .., температур и интенсив-ностей подсвета.

4. Проведенные исследования фоторазогрева носителей заряда возбуждающим излучением способствовали выбору ->пти»:альноЙ к'.н-

-л-

центрации примесей в используемых полупроводникг; и рабочих условий устройств криогенной микроэлектроники (например, приемников излучения в Ш{-диалаэонё длин волн).

5. Детальное изучение областей лоКа/Ш/ай перекомпенсации ^ в (9йи особенностей Енедрения лития позволяет обленить уменьшение разрешающей способности гермпнйЙ-і)И^тг¹Є8Ь!х детекторов ионизирующего излучения, при создании которых используется бйс малой концентрацией свободных носителей заРАд^ /юлуч&Дмый (наряду с очисткой материала) компенсацией осНОЦцьц, акцепторов литием.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, семи глав, Заключения, Приложения Г и Приложения П. Объем работы

страницы машинописного текста, включая страниц рисунков

и таблиц. Список литературы содержит наименования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации догладывались на Всесоюзном совещании по исследованию полупроводников (Ленинград, 1971 г.); на П и Ш Всесоюзных симпозиумах по физика плазмы (Вильнюс, 1974 г., 1977 г.); на Ш Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках" (Новосибирск, 1978 г.); на Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Киев, 1979 г.); на ІУ Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводников (косква, 1979 г.); на Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках {Ташкент, I960 г.)J на Всесоюзной конференции по изучению структурных неоднородности в полупроводниках (Ій'ЇСИС, 1982 г.); на П и Ш Международной Дальневосточной школе-семинаре "Физика и химия, твердого тела" (Новосибирск, 1989 г., 1991 г.); на семинарах в ФИлН СССР, ИГО АН СССР, ШРВДЕТ, МШ.Т1РЭЛ ШІИ им.В.И.Ленинв и опубликованы в J5 печатных работах.