Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные методы легирования полупроводниковых материалов, связанные с введением примесей в расплав или диффузией ее с поверхности, часто не обеспечивают необходимой для сегодняшней электроники однородности пространственного распределения примесей и точности легирования. Применение радиационных методов позволяет в ряде случаев решать эти проблемы [I].
Основными особенностями процесса нейтронного легирования германия является большое сечение захвата нейтронов и наличие у
НЄГО Трех "ЛеГИруЮЩИХ" ИЗОТОПОВ 74Ge, 76Ge И 70Ge, ДЭЩИХ ПрИМЭСИ
донорного и акцепторного типа. В стационарном состоянии нейтронного легирования (НЛ) германий представляет собой материал р-типа с фиксированной степенью компенсации, определяемой выходом реакций трансмутации на "легирующих" изотопах [2 ]. Он характеризуется высокой однородностью распределения примесей. Существенно, что при этом мокно варьировать концентрацию в широком интервале от области слабого легирования до точки перехода металл-изолятор. Такой материал является удобным объектом для исследования современных моделей низкотемпературного прыжкового транспорта [3] и перехода металл-изолятор [4] при условии, что прецизионно определены его основные электрофизические параметры. Последнее, однако, является непростой задачей как в силу недостаточной точности существующих ядерно-физических данных по "легирунцим" изотопам Ge [L'j, так и в силу слоеного характера валентной зоны p-Ge, затрудняющего анализ данных холловских измерений [6].
Известно, что электронные свойства легированных полупроводников зависят от двух главных параметров: концентрации основной примеси (n) и степени компенсации (К). Степень компенсации НЛ Ge ранее, как правило, находилась по подходящим ядерно-физическим данным и варьировалась из-за их разброса в интервале 50 > К г 17. Прямые эксперименты по определению степени компенсации НЛ Ge, основанные на использовании кинетики нейтронного легирования, били поставлены в работе [7 j. При этом оставался открытым вопрос о влиянии на нее спектра облучающих нейтронов.
Для характеризации уровня легирования полупроводниковых мате-
- 4 -риалов в широком интервале концентраций, как правило, используют эффект Холла. Однако его интерпретация в обладающей сложной валентной ЗОНОЙ p-Ge И, В ЧаСТНОСТИ,В НЛ Ge:Ga СОПрЯЖвНЭ С СОЛЬШИМИ
неопределенностями из-за сильного влияния зоны легких дырок. Имеющиеся в литературе расчеты касаются лишь предела слабого легирования. Экспериментально отделение вклада легких дырок делалось с помощью магнитного поля в предположении, что уке при нескольких. кЭ вклад легких дырок полностью подавляется. Однако достоверность такого предположения в рамках используемой методшси было невозможно оценить с приемлемой точностью.
Заметим также, что HJlGe:Ga не только является важным объектом, научных исследований, но и находит техническое применение как материал для ряда криогенных устройств, таких, например, как глубо-коохлаждаомые болометры и низкотемпературные датчики температуры.
Цели работы заключались в следующем:
-
Прецизионное определение ряда ядерно-физических постоянных "легирующих" изотопов Ge, а также электрофизических параметров НЛ ее и возможности целенаправленного.изменения последних в материале с природным изотопным составом.
-
Разработка и осуществление идеи экспериментального выделения вклада легких и т-лселых дырок в эффект Холла для сложной валентной ЗОШ p-Ge.
-
Применение подученных результатов при проведении прецизионных и следований прыжковой ^-проводимости, а также перехода металл-изолятор.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
-
Получение К-серии образцов НЕ ее п и р-типа и их характе-ризация.
-
Разработка и осуществление методики исследования кинетики нейтронного легирования как инструмента для прецизионного изучения ядерно-физических и электрофизических параметров материала.
-
Выяснение возможности и пределов варьирования соотношения между трансмутационнїйи примесями при нейтронном легировании Ge с природным изотопным составом путем изменения спектра облучающих нейтронов.
-
Экспериментальное определение эффективного холл-фактора в р-<зе и исследование его зависимости от концентрации основной примеси и магнитного поля.
-
Выяснение влияния прецизионного определения электрофизических параметров HJlGe:.Qa.. на результаты исследования прыжковой проводимости и перехода МИ.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые именно кинетика нейтронного легирования становится объектом обширного полупроводникового исследования. Это позволяет значительно увеличить точность определения основных ядерно-физических постоянных для НЛ Ge (периода полураспада изотопа 71Ge, сечений захвата нейтронов легирующими изотопами, резонансных интегралов для них).
Сочетание с методом "кадмиевой разности" позволило разделить вклады тепловых и .резонансных нейтронов, выяснить возможность и пределы варьирования соотношения менду трансмутационными примесями при изменении спектра нейтронов.
Предложена и осуществлена новая идея экспериментального выделения вклада легких и тяжелых дырок в эффект Холла на обладающей сложной валентной зоной p-Ge в широком интервале уровней легирования.
Устранено существовавшее долгие годы расхождение между теоретическим описанием туннельного фактора прыжковой проводимости по
бЛИЖаЙШИМ ОСНОВНЫМ СОСТОЯНИЯМ ПрИМесеЙ И Экспериментом На НЛ Ge:Ga.
Практическое значение работы состоит в том, что предложена и развита методика линеаризации кинетики нейтронного легирования германия, обусловленной реакцией захвата орбитального электрона 71Ge-*71Ga. Она позволяет уточнять основные ядерно-физические постоянные изотопов Ge, с высокой точностью определять относительный выход трансмутационных примесей.
Разработана методика увеличения относительного выхода трансмутационной примеси Se путем дозированного "ужесточения" спектра реакторных нейтронов с помощью са фильтров, поглощающих замедленные нейтроны. Это дает возможность получать "К-серии" образцом R1 Ge с фиксированными компенсациями в диапазоне К = 0,3*0,6..
Предложен и реализован метод, экспериментального вндолечиз
вклада легких и тяжелых дырок в эффект Холла для сложной валентной зоны p-Ge. Он основывается на прецизионном, равном по абсолютной величине, 'ю разном по знаку приращении холловских электронных и дырочных концентраций свободных носителей в процессе нейтронного легирования специально подоорашшх пар образцов во с последующим использованием при анализе холловских измерений известных расчетных данных по холл-фактору в n-Ge. В результате были построены калибровочные кривые для точного определения концентрации дырок в p-Ge из измерений эффекта Холла.
Достоверность и надежность результатов работы обеспечена тем, что они получены на большом количестве образцов и на значительных массивах экспериментальных данных с обработкой результатов на ЮВМ при обязательной оценке погрешности.
Использовались разные методы и подходы для получения и проверки наиболее важных результатов.
Апробация и личный вклад автора. Основные результаты диссертации докладывались нь 7-м Координационном совещании по исследованию и применению твердых растворов Ge-si (Баку, 1988 г.), на Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989 г.) на 25-м и 27-м Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Ленинград, 1988; Казань, 1992 г.), на 2-й Российской конференции по физике полупроводников (Зелвногорск, 1996 г.).
Публикации. Основные результаты работы содержатся в десяти научных публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Научные пологешя, выносимые на защиту.
I. Отношение траномутационных примесей 7/Se, 75Ая и 71Go в Ge, легированном тепловыми (хсроио замедленными) нейтронами составляет: (0,0102 ± 0,0011):(0,2817 ± 0,00ІЄ):І, что, с учетом двух-зарядного состояния зе, соответствует степени компенсации Kth = 0,302 ± 0,002. Это значение практически не меняется вплоть до отношения потоков тестовых и быстрых нейтронов порядка десяти,, после чего начинает заметно возрастать из-за сильного резонансного поглощения ИЗОТОПОМ 76Ge.
2.Использование более жесткого спектра облучающих нейтронов (варьирование канала в реакторе, применение фильтров, поглощающих замедленные нейтроны) приводит к увеличению относительного выхода трансмутационной примеси 77se, которой можно дозированно менять более чем на порядок. При этом компенсация материала варьируется в диапазоне от 0,3 до 0,6.
3. Период полураспада изотопа 71Ge составляет 11,36 ± 0,04 суток. Сечения поглощения, тепловых нейтронов изотопами 76Ge. 74Ge и 70Ge соотносятся как (0,0268 ± 0,0028):(0,1582 ± 0,0009):1. Это при использовании наиболее точно измеренного в ядерной физике сечения для изотопа 70go, равного 3,43 б дает для первых двух сечений значения:(0,092 + 0,016) и (0,543+ 0,040) б. . Резонансные
ИНТеГраЛЫ ДЛЯ ИЗОТОПОВ 76Ge, 74Ge И 70Ge СООТНОСЯТСЯ КоК (0,503 ±
0,006):(0,1566 + 0,0006):1. При резонансном интеграле для изотопа 70Ge, равном (3,04 ± 0,20/ б, . это дает для резонансных интегралов первых двух изотопов величины (1,53 ± 0,12) и (0,48 ± 0,03)6. ...
- 4. С достаточно сильных магнитных полей, находящихся в обратной связи с подвижностью легких дырок, подавляется их вклад в эффект Холла на сложной валентной зоне р-Ge. При этом величина коэффициента Холла восстанавливается до значений, определяемых лишь зоной тяжелых дырок, а холл-фактор в области как фононного рассеяния, так и вырождения (слабые и сильные уровни легирования) оказывается близким к единице. В области же рассеяния на ионизованных примесях он имеет максимум и примерно равен двум. Увеличение вклада легких дырок в эффект Холла при уменьшении магнитного поля может быть формально описано на одкозонном языке как увеличение эффективного холл-фактора до значений порядка двойки при слабом легировании.
5. Причиной долго существовавшего расхождения между теорией и экспериментом на НЛ Ge.-Ga при описании поведения предэкспоненци-ального множителя прыжковой проводимости по ближайшим соседям является применение некорректных значений степени компенсации материала и величины холл-фактора. Использование полученных в работе данных показывает, что на самом деле никакого противоречия нет. п также, что прыжковый транспорт характеризуется четко пнрчктшоП областью насыщения, где он в чистом виде определяется иптпгртсм перекрытия волновых функций ближайших состояний.
6. Корректировка значений компенсации и холл-фактора заметно сказывается на результатах исследований перехода металл-изолятор. Учет реальных величин холл-фактора примерно на треть увеличивает значение критической для перехода компенсации Ga. В меньшей степени он влияет на величину критических индесов корреляционной длины, которая оказывается близкой к единице.
Структура и объеи диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, из них 99 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 87 наименований.
