Введение к работе
AKiyaAbNQCIfe тему,, 8 последние десятилетия физика неулор,' доченных систем стала одним из интенсивно развивающихся направлений исследования физики конденсированной среды. Это обусловлено как большой практической важностью таких систем, так и успехами теоретического описания неупорядоченного состояния. Круг неупорядоченных систем чрезвычайно широк. Кристаллические полупроводники, легированные примесями или подвергнутые облучению, становятся в какой-то степени разупорядоменными. Неупорядоченность связана с нерегулярностью распределения примесей (дефектов)і в хаотическом поле которых движутся носители заряда, и, обычно, проявляется в низкотемпературных электронных свойствах. Таким образом, изучение электронных явлений в кристаллических полупроводниках, раэупорядоченных радиацией, лежит в области интересов как физики неупорядоченных систем, так и радиационной физики полупроводников.
До начала 70-х годов основной интерес'исследователей радиационной физики полупроводников лежал о области изучения процессов, связанных с зонным движением носителей заряда. Таким образом, изучались явления, в которых локализованные состояния проявлялись лишь как поставщики свободных носителей заряда в разрешенные зоны и как центры рассеяния и рекомбинации. 0 то же время изучению процессов электропервноса между локализованными состояниями (примесей или дефектов) уделялось мало внимания, хотя прыжковый электроперенос по локализованным состояниям, по-видимому, более распространен о неупорядоченных системах, чем зонный.
В 70-е годы были достигнуты значительные успехи в теоретическом описании электронных явлений в неупорядоченных полупроводниковых системах. Были определены основные понятия таких систем: локализованные и делокалиэованные состояния, локализация электронов и прыжковый механизм проводимости, порог подвижности, уровень протекания, переход металл-диэлектрик (ПМД) и другие. Одной из основных проблем физики неупорядоченных систем является проблема перехода из металлического состояния в диэлектрическое. Представление о возможности локализации частиц в неупорядоченных системах было впервые выдвинуто Ф.Андерсоном я 1Э58 году. Н.Мотт раэрабо-
тел концепцию скачкообразного обращения металлической проводимости о нуль в точке перехода металл-диэлектрик. Значительные успехи в исследовании неупорядоченных систем были достигнуты на основе перколяционной теории, прежде всего, благодаря работам Б.И.Шкловского и А.Л.Эфроса. Скейлинговая теория локализации Е.Абрахамса, Ф.Андерсона, Д.Личчиарделло и Т.Рамакришнана рассматривала непрерыр><ое иэмеионив макроскопических свойств системы в окрестности критической точки, то есть переход металл-диэлектрик рассматривался как фазовый переход 11-го рода. В этот же период в работах Б.Л.Альтшулера, А.Г.Аронова, А.Кавабата, А.И.Ларкина, Д.Е.Хмельницкого и других была показана важность учета электрон-электронного взаимодействия в раэупорядоченном металлическом состоянии.
На осново перколяционной модели было показано, что сильно компенсированные полупроводники обладают свойствами, характерными для неупорядоченных сметой. А.Р.Гаджиевым, С.М.Рывкиным и И.С.Шлимаком было установлено, что кристаллический германий, сильно компенсированный быстрыми нейтронами, представляет собой модель аморфного полупроводника и, наблюдаемые в нем явления, которые считались характерными для аморфного состояния, обусловлены разупорядоченностью. В работах Р.Ф.Коноллевой с сотрудниками было показано, что потенциальный рельеф в германии с раэупорядочениыми областями (РО) имеет особенности, отличающие его от потенциального рельефа, создаваемого мелкими химическими примесями или точечными дефектами. А.Г.Забродским с сотрудниками проведено детальное исследование неупорядоченных систем на основе кристаллических полупроводников, а нейтронное облучение (вследствие трансмутаций) использовалось как метод дозированного введения компенсирующих примесей.
Таким образом, основываясь на достижениях теории неупорядоченных систем, полученных в 70-х годах, стало возможным систематически исследовать электронные свойства неупорядоченных полупроводниковых систем на основе кристаллов, подвергнутых действию радиации, и получать новые данные о радиационных дефектах (РД).
На основании вышеизложенного можно заключить, что проблема изучения особенностей переноса заряда по локализованным состояниям в кристаллических полупроводниках, разупорядоченных радиа-
цией, и нахождения общих закономерностей электролереноса в кристаллах с локализованными состояниями различной природы (примесной или дефектной) является актуальной. Известно, что Республика Беларусь обладает большим научным, научно-техническим и производственным потенциалом в области полупроводниковой электроники. Это ставит перед учеными задачи улучшения качества традиционных и создания новых полупроводниковых материалов с необходимыми электронной технике свойствами. Прогресс в соответствующих исследованиях, к которым относятся и исследования, проводимые в настоящей работе, позволяет получить новые данные, необходимые для создания материалов с заданными свойствами, и развить фундаментальные представления о природе физических явлений и эффектов в кристаллических полупроводниках, раэулорядоченных радиацией, с различными типами локализованных состояний.
Связь работы с. научными программами. Диссертационные исследования проводились в рамках тем, входящих в "Планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук", по республиканской комплексной программе "Плазма", по программам фундаментальных исследований Белгосуниверситета "Синергетика" и "Новые материалы", а также" в рамках международного проекта "Metal-Insulator Transition and Quantum (Hopping) Transport in Disordered Systems" (программа INTAS-94).
Главная цель работы состояла в том, чтобы установить и понять закономерности электронных переходов между локализованными состояниями примесей и (или) радиационных дефектов в кристаллическом германии, разупорядоченном радиацией, как в области сильной локализации, так и в окрестности перехода диэлектрик-металл.
Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи.:
1. Изучение и установление специфики процессов электронных переходов между локализованными состояниями в полупроводниках с мелкими примесями (III и V" групп) и радиационными дефектами с целью получения информации о процессах взаимодействия примесей и радиационных дефектов. Установление области применимости и степени информативности метода исследования температурных зависимостей прыжковой проводимости (ТЗПП) для радиационной физики полупроводников.
-
выявление основных, наиболее общих закономерностей процессов, связанных с электронными переходами между локализованными состояниями радиационной природы, в широких диапазонах уровней "легирования" радиационными дефектами от "слабого", когда электронные состояния локализованы, до "сильного", когда происходит переход к металлическому состоянию.
-
Исследование особенностей восстановления свойств кристаллических полупроводников, связанных с электронными переходами между локализованными состояниями, после воздействия различными видами жестких излучений и длительного высокотемпературного отжига. Выяснение природы остаточных явлений, возникающих в результате облучения и отжига.
-
Установление закономерностей изменения электрической активности (и исследование способов управления ею) исходных легирующих примесей (Ш и V групп) и примесей, возникающих в результате трансмутаций при облучении кристаллического германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора.
-
Изучение возможности практического использования результатов исследований электронных переходов между локализованными состояниями а кристаллических полупроводниках, разупорядоченмых радиацией.
Для реализации изложенной программы в качестве модельного объекта был выбран кристаллический германий (как чистый , так и легированный примесями Ш и V групп), так как технология введения в него примесей и их свойства достаточно хорошо изучены, кроме того, известно, что при облучении германия быстрыми нейтронами происходит n-p-конверсия проводимости и образуются дефекты, обладающие акцепторными свойствами, которые при некоторых условиях могут определять свойства материала. Известно, что использование электронного парамагнитного резонанса для исследования радиационных дефектов в Ое оказалось малоэффективным и наиболее полная количественная информация о них получалась из изучения температурных зависимостей коэффициента Холла (ТЗКХ), хотя этот метод имеет ряд ограничений. Ограничена, например, область концентраций носителей заряда, доступная для точного количественного анализа, что связано с взаимодействием примесей и образованием примесной зоны. Необходимо отметить сложности проведения измерений ТЗКХ и
интерпретации данных вследствие зависимости холл-фактора от величины магнитного поля и концентрации примесей. В то же время, метод изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости свободен от большинства этих ограничений.
Научная новизна полученных.в диссертации экспериментальных данных, физических моделей и обобщений состоит в следующем:
Впервые систематически исследованы закономерности электронных процессов в новом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями. Разработана модель транспорта носителей заряда в широком интервале температур (1,5 - 300 К) и диапазоне (от ю" до 10 см" ) "легирования": от "слабого", когда состояния дефектов локализованы, до "сильного", когда происходит переход диэлектрик - металл и состояния делокализуются.
Впервые получена экспериментальная зависимость энергии активации радиационных дефектов с мелкими уровнями, возникающих при облучении германия быстрыми реакторными нейтронами, от концентрации этих дефектов. Найдено, что энергия активации этих уровней в случае малой концентрации и компенсации равна 16 мэВ.
Впервые обнаружено, что проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими уровнями при низких (гелиевых) температурах носит прыжковый характер и осуществляется в результате прыжков локализованных носителей заряда по радиационным дефектам с уровнями Б 16 мэВ. Установлено, что при коицент-
рациях радиационных дефектов менее 5.10 см" осуществляется механизм прыжковой проводимости по ближайшим локализованным состояниям дефектов (е - проводимость). При больших концентрациях проявляется прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка.
- Исследование концентрационной зависимости прыжковой прово
димости (с постоянной энергией активации ) впервые позволило
установить величину бороаского радиуса радиационного дефекта с
уровнем Е + 16 мэВ л = 40 Д. v
- Из концентрационной зависимости сопротивления Q в области
'О
прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка обнаружено предельное состояние по сопротивлению в окрестности перехода диэлектрик-металл. Предельная величина (р ) s 9 Ом .см удовлет-
ворительно согласуется с величиной моттовской минимальной металлической проводимости (
> п
ческой концентрации радиационных дефектов, МрП= 1.10 см" , при которой происходит переход диэлектрик-металл. Определена величина боровского радиуса дефекта при ПДМ л ~ 30 Д.
Исследование влияний внешних воздействий (одноосных упругих деформаций, магнитных полей, высокотемпературного отжига и гамма-излучения) н* низкотемпературную (в основном, прыжковую) проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями впервые позволило установить особенности, отличающие их от мелких легирующих примесей (Ш и V групп), сделать обоснованные предположения об их природе, термической устойчивости и радиационной стойкости.
Впервые проведены систематические исследования прыжковой проводимости в германии (п- и р-типов проводимости), облученном у-квантами Со или быстрыми реакторными нейтронами. Выявлены основные закономерности взаимодействия исходных легирующих примесей (Ш и V групп) с ЦП, В OB со сравнительно большой концентрацией (3.10 ч- 2.10 см" ) мелких примесей (Sb,As,Ga) в процессе облучения и последующего высокотемпературного (до 450 С) отжига. Показано, что в результате у-облучения происходит уменьшение концентрации доноров V группы (в n-Ge) и акцепторов Ш группы (в p-Ge), а также увеличение концентрации компенсирующих дефектов. При нейтронном облучении n-Ge основную роль в удалении дырок из валентной зоны играет введение радиационных акцепторов. Использование метода температурных зависимостей прыжковой проводимости для изучения отжига радиационных дефектов позволило наблюдать за восстановлением концентрации исходных легирующих доноров (или акцепторов) и сделать обоснованные предположения о процессе де-фектообразования, а также сделать вывод о полном восстановлении концентрации исходных легирующих . доноров (или акцепторов) при температурах отжига 450 С.
Изучение остаточных явлений в германии, подвергнутом облучению быстрыми реакторными нейтронами и последующему длительному (20-30 часов) высокотемпературному (450 С) отжигу, впервые позволило установить, что остаточные центры обусловлены, главным
7 образом, химическими примесями (Ga, As и Se), возникающими в результате ядерных превращений, вызванных быстрыми (надкадмиеаыми) нейтронами.
- Изучением температурных зависимостей прыжковой проводимос
ти впервые обнаружено, что в результате облучения кристаллическо
го германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора исход
ные примеси ш и V групп (Ga, Sb и As) становятся электрически
неактивными. Количественно изучен процесс восстановления при от
жиге концентрации электрически активных примесей (исходных и
трансмутационно введенных) и показано, что в результате высоко
температурного отжига все исходные (и трансмутационно введенные
примеси) становятся электрически активными. Предложена модель,
объясняющая поведение примесей при облучении и последующем от
жиге.
Практическая значимость полученных результатов.
Метод изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости адаптирован к исследованию радиационных нарушений в кристаллах полупроводников. Показана эффективность и высокая информативность этого метода в радиационной физике полупроводников.
Проведенные исследования по установлению природы остаточных центров и необходимости количественного учета эффекта трансмутационного легирования германия при облучении быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора имеют важное значение для технологии получения материала с повышенной однородностью распределения легирующих примесей.
Экспериментально установлены закономерности изменения электрической активности примесей (как исходных, так и трансмутационно введенных) при облучении германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора. Изучены способы управления электрической активностью примесей, а также электрофизическими свойствами германия при таком же облучении и отжиге, что имеет важное значение для радиационной технологии полупроводников.
Предложен метод определения концентрации радиационных дефектов с мелкими уровнями из измерений температурных зависимостей прыжкоаой проводимости с использованием; найденной нами величины боровского радиуса дефекта.
"Легирование" германия радиационными дефектами позволяет получать материал с особыми свойствами и перспективными практическими применениями. Достоинствами такого материала являются: простота "легирования" и высокая точность получения необходимой степени "легирования", высокая степень однородности распределения "легирующих" дефектов, повышенная радиационная стойкость.
Приведены результаты разработки и реализации на уровне изобретения способа изготовления термометров сопротивления на основе кристаллического германия,"легированного" радиациоными дефектами с малой инерционностью и большим (изменяемым) диапазоном чувствительности для широкой области температур (1,5-300 К).
Результаты, полученные в ходе выполнения данной диссертационной работы, используются в учебном процессе физического факультета Белгосуниворситета в специальных лекционных курсах, в лабораторных спецпрактикумах, при постановке курсовых и дипломных работ студентов и диссертационных работ аспирантов, что отражено в соответствующих методических разработках.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту^.
-
Комплекс экспериментальных результатов исследования переноса носителей заряда в новом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями, позволяющий установить основные параметры, характеризующие движение носителей заряда как по валентной зоне, так и по локализованным состояниям радиационных дефектов, а также выявить основную роль дефектов с мелкими уровнями Є + 16 мэВ.
-
Модель транспорта носителей заряда в широком интервале температур (1,5 - 300 К) в германии, "легированном" радиационными дефектами, в зависимости от уровня "легирования": от "слабого", когда состояния сильно локализованы, до "сильного", когда происходит переход диэлектрик-металл и состояния делокалиэуются.
-
Экспериментальные результаты исследования влияния внешних воздействий (одноосных упругих деформаций, магнитных полей, высокотемпературного отжига и гамма-излучения) на прыжковую проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями, позволившие установить особенности, отличающие их от мелких легирующих примесей (Ш и V групп), и еде-
лать обоснованные предположения об их природе, термической устойчивости и радиационной стойкости.
-
Экспериментальные результаты исследования прыжковой проводимости по мелким легирующим примесям в германии (п- И р-ТИПОІ» проводимости), облученном у - коантами Со или быстрыми реакторными нейтронами, устанавливающие основные закономерности взаимодействия примесей с радиационными дефектами а кристаллах с относительно высокой (3.10 +. 2.10 см" ) концентрацией мелких легирующих примесей (Ш и V групп) в процессе облучения и последующего отжига.
-
Остаточные центры, возникающие при облучении германия быстрыми реакторными нейтронами и последующем длительном (20 - 30 часов) высокотемпературном (450 С) отжиге, обусловлены, главным образом, химическими примесями (Ga, As и Se), возникающими в результате ядерных превращений, вызванных быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами. Экспериментально установлена необходимость количественного учета эффекта трансмутационного легирования германия при облучении быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами.
-
Модель изменения электрической активности исходных примесей (U1 и V групп), а также примосой, возникающих в результате трансмутаций, при облучении кристаллического германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами роактора и последующем высокотемпературном отжиге.
Личный вкдад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в постановке задач исследований (в некоторых случаях совместно с В.П.Добрего), в непосредственном участии в проведении экспериментальных работ вместе с аспирантами и коллегами, в самостоятельной разработке моделей, анализе и интерпретации результатов.
Мробашя велупьтатза диссоотаиии. Основные результаты диссертационной работы докладывались на II Международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1997 г.), Международной конференции "14-th General Conference Condensed Matter Division" (Madrid, 1994), Via Координационном совещании по исследованию и применению сплавов кремния и германия (Ташкент, 1991), XII Всесоюзной конференции по физика полупроводников (Киев, 1990), VII Республиканской конференции молодых ученых по физике
(Минск,1082), II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980), Всесоюзной конференции "Радиационные эффекты в твердых телах" (Ашхабад, 1977), Всесоюзной научной сессии по проблемам физики твердых тел й радиационной физики твердых тел (Севастополь, 1976).
Материалы работы также докладывались на научных семинарах в Бепгосуниверситете, "ИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко, Софийском университете им. К.Охридского (Болгария), Институте твердого тела и полупроводников АН Беларуси и др.
Опубликованность результатов. Основное содержание диссертации отражено в 40 печатных работах (31 статья и сборник, 8 тезисов докладов на конференциях и патент на изобретение), список которых приводен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации, Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, восьми глав, основных выводов и списка использованных источников. Общий объем диссертации 275 страниц, включая 18Э страниц текста, 77 рисунков и 9 таблиц. Список использованных источников включает 279 наименований.
