Влияние концентрации электроактивных атомов марганца на гальваномагнитные и фотоэлектрические свойства кремния в условиях компенсации Саъдуллаев, Алавиддин Бобакулович

Введение к работе

Актуальность работы.

Современное состояние электронных приборов невозможно представить без учета роли примесньа атомов, создающих щубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника. В этом плане сильно компенсированный кремний, легированный элементами переходной группы железа, является перспективным материалом, так как в нем был исследован и обнаружен ряд интересных физических явлений. К ним можно отнести аномально высокую фоточувствительность, инфракрасное и температурное гашение фотопроводимости, различные виды автоколебаний, а также электрической и оптической памяти. До настоящего времени авторами не были исследованы электрические, фотоэлектрические свойства сильно компенсированного кремния при максимальной концентрации примесных атомов, что и непозволяло получение воспроизводимых и достоверных результатов, как и о наблюдаемых явлениях так н о природе примесей с глубокими уровнями.

Разработанная нами воспроизводимая технология получения кремния, легированного марганцем, позволила определить термодинамические и технологические условия получения максимальной концентрации электроактивных атомов марганца и получить материал с различной степенью компенсации с такой же концентрацией электроакгивных атомов марганца. Исследование электрофизических, гальваномагнитных и фотоэлектрических свойств этих материалов позволили обнаружить ряд новых физических явлений и определить природу глубоких центров марганца. Анализ результатов этих исследований не только позволяет определить состояние элементов переходных групп в кремние, но и разработать воспроизводимую технологию получения компенсированного кремния, легированного этими примесями.

4 Цель и задачи работы: Целью настоящей работы является исследование возможности управления концентрацией электроактивных примесных атомов элементов переходных групп (Мп), определение оптимальных термодинамических и технологических условий легирования кремния, а также исследование особенностей гальваномагнитных, фотоэлектрических свойств и автоколебаний тока в Si с максимальной концентрацией электроактивных примесных атомов марганца. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

і. Определить термодинамические и технологические условия получения максимальной концентрации электроактивных атомов марганца в кремнии при диффузионном легировании.

1. Разработать и освоить воспроизводимую технологию получения компенсированных образцов Si с различными удельными сопротивлениями и типом проводимости, с различными концентрациями электроактивных примесных атомов марганца.

2. Исследовать электрофизические и гальваномагнитные свойства компенсированых образцов Si в зависимости от концентрации злектроактивных атомов марганца.

4. Исследовать автоколебания тока типа ТЭН, наблюдаемые в компенсированных образцах Si, в условиях максимальной концентрации электроактивных примесных атомов. Определить корреляцию между параметрами материала, условиями возбуждения и параметрами автоколебаний тока (амплитудой и частотой).

5. Выяснить механизм наблюдаемых физических явлений, показать возможности практического использования материала для разработки различных видов приборов.

5 Научная новизна.

1. Впервые разработана технология получения сильно компенсированных образцов Si с максимальной концентрацией электроактивных примесных атомов.

2. Показана возможность управления концентрацией элехтроактивных примесных атомов, управлением концентрацией исходных мелких примесей в кремнии. Определены температурные режимы легирования для получения образцов с заданными электрофизическими параметрами в зависимости от поставленных задач.

3. Показано, что температурная зависимость подвижности носителей тока в сильно компенсированном полупроводнике не выражается известным законом Т^т и имеет ретроградный характер. Положение Тм и Тт (где подвижность носителей тока имеет максимальное и минимальное значение) определяется степенью компенсации материала и уровнем освещения.

4. Впервые исследованы особенности магнитосопротивления в сильно компенсированном кремнии с максимальной концентрацией электроактивных примесных атомов марганца. Показано существование в одном и том же материале отрицательного, положительного и нулевого магнитосопротивления в зависимости от удельного сопротивления, освещенности и концентрации электроактивных примесей.

5. Исследованы фотоэлектрические свойства сильно компенсированного кремния с максимальной концентрацией электроакгивных примесных атомов. Определена спектральная область существования ИК гашения фотопроводимости в образцах Si. Показано, что с ростом концентрации электроактивных примесных атомов, увеличивается кратность гашения, а значение энергии, соответствующей максимуму гашения, смещается в сторону меньших энергий.

6. Впервые исследован ТЭН в сильно компенсированном кремнии в условиях максимальной концентрации электроактивных примесных атомов. Установлена закономерность изменения порогового электрического поля возбуждения автоколебаний тока в зависимости от концентрации электроактивных примесных атомов.

7. Показаны возможности управления параметрами автоколебаний тока, управлением концентрацией эяектроактнвных примесных атомов марганца.

8. Предложен механизм ИК гашения фотопроводимости и ТЭН в сильно компенсированных образцах Si при максимальной концентрации электроактивных примесных атомов.

9. Показана возможность использования сильно компенсированных образцов Si с максимальной концентрацией эяехтроактивных атомов для создания твердотельных генераторов и принципиально новых типов датчиков физических величин в электронной промышленнности.

Практическая ценность работы.

1. Впервые разработана воспроизводимая и управляемая технология получения сильно компенсированного кремния, легированного марганцем с максимальной концентрацией электроактивных атомов.

2. Показана возможность управления электрофизическими параметрами получаемых образцов Si, изменением температуры диффузии.

3. Показаны возможности создания чувствительных фотоприемников, работающих при наличии фоновой освещенности и регистрирующих слабые потоки ИК излучения в широком интервале температуры Т= 77*200 К.

4. Показаны возможности создания твердотельных генераторов с оптимальными условиями возбуждения и параметрами автоколебания тока.

5. Показаны возможности создания совершенно новых типов датчиков
физических величин и твердотельных генераторов, работающих в широ
ком интервале температур Т=77*180 К со стабильными параметрами.

6. Полученные экспериментальные результаты в настоящее время
широко используются в учебных процессах по курсам "Физика
компенсированных полупроводников", "Функциональная электроника",
"Физика и технология материалов", "Физика полупроводниковых
приборов", а так же в лабораторных работах "Материалы электронной
техники" для студентов, обучающихся по специальностям "Физическая
электроника", "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы",
"Промышленная электроника", "Физика и технология материалов".

Защищаемые положения.

1. Концентрация электроактивных примесных атомов элементов переход
ных групп в кремнии в основном определяется концентрацией и типом
исходных примесей.

2. Для каждой примеси элементов переходных групп существует
оптимальная температура Топт легирования, при которой имеется
максимальное значение концентрация электроактивных атомов, при
Т>Топт<Т, концентрации электроактивных примесных атомов
существенно уменьшается, что и связано образованием метастабильных
комплексов.

3. Обнаружено отрицательное магнитосопротивление в сильно компен
сированном кремнии, значение которого сушественным образом зависит
от степени компенсации и уровня освещенности.

4. Установлена закономерность изменения условий возбуждения и
параметров автоколебаний тока в образцах Si в зависимости от
концентрации электроактивных атомов марганца.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались Я обсуждальсь ю международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (г. Уляиовск, Россия, 1996 г), на международной конференции "Проблемы теоретической физики и физики твердого тела" (г. Бухара, 1997 г), гіа международной конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов" (г. Ташкент, 1997 г), на международной конференции "Рост кристаллов" (г.Ургенч, 1997 г), на международной научной конференции, посвященной 1200 - летгао Ахмада ибн Мухаммада ал-Фергани ( г. Ташкент, і 998 г), на международной конференции "Прикладные проблемы физики полупроводников" (г. Ташкент, 1999 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основной текст диссертации изложен на і6 z страницах машинописного текста, включая г Э- рисунков, іу таблиц и 96 наименований библиографии.