Перебудова енергетичних зон і закономірності тензорезистивних ефектів в сильно деформованих кристалах Ge i Si

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 621.315.592

ПЕРЕБУДОВА ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЗОН

І ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНИХ ЕФЕКТІВ

В СИЛЬНО ДЕФОРМОВАНИХ КРИСТАЛАХ Ge i Si

01.04.10 - фізика напівпровідників i діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Сусь Богдан Богданович

київ 2006

АНОТАЦІЯ

Сусь Б.Б. Перебудова енергетичних зон і закономірності тензорезистивних ефектів у сильно деформованих кристалах Ge i Si. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика діелектриків і напівпровідників. Національний університет ім. Тараса Шевченка. Київ, 2006 р.

У роботі досліджені тензорезистивні ефекти в Si і Ge n- і р-типу в умовах напрямленого сильного тиску у зв`язку зі змінами енергетичної структури кристалів. Показано, що домінуючими механізмами тензоефектів є додаткова деформаційно-індукована іонізація дефектів технологічного походження, які виникають внаслідок відпалу кристалів після нейтронного легування, а також після опромінення ?-квантами.

Досліджено механізми деформаційно-індукованого переходу метал-ізолятор у вироджених кристалах Ge(Sb) n-типу в умовах екстремального одновісного тиску в напрямку [100]. Встановлено, що вихідною причиною деформаційно-індукованих фазових переходів метал-ізолятор в n-Ge(Sb) є відповідна перебудова зони провідності Ge, яка характеризується збільшенням ефективної маси вільних електронів.

Залежність тензоопору кристалів р-Si від тиску в умовах сильного одновісного тиску визначається як ефектом переселення носіїв із зони “легких” у зону “важких” дірок, що приводить до збільшення ефективних мас дірок і опору, так і перебудовою валентної зони і пов'язаним з цим зменшенням опору. Встановлено, що в сильно легованому р-Si залежність опору від одновісного тиску у певних напрямках має експоненціальний характер, що підтверджує можливість стрибкового характеру провідності.

Ключові слова: анізотропія кристалів, напрямлена деформація, енергетичні зони, легування, дефекти структури, деформаційно-індуковані переходи.

АННОТАЦИЯ

Сусь Б.Б. Перестройка энергетических зон и закономерности тензорезистивних эффектов в сильно деформированных кристаллах Ge и Si. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 физика диэлектриков и полупроводников. Национальный университет им. Тараса Шевченко. Киев, 2005 г.

В работе исследованы тензорезистивные эффекты в Si и Ge n- и р-типа в условиях направленного сильного давления в связи с изменениями энергетической структуры кристаллов. Показано, что доминующими механизмами тензоэффектов является дополнительная деформационно-индуцированная ионизация де-фектов технологического происходжения, возникающих вследствие отжига кристаллов после нейтронного легирования, а также после облучения ?-квантами.

Исследованы механизмы деформацонно-индуцированного перехода металл-изолятор в выродженных кристаллах Ge(Sb) n-типа в условиях экстремального одноосного давления в направлении [100]. Установлено, что исходной причиной деформационно-индуцированных фазовых переходов металл-изолятор в n-Ge(Sb) является соответствующая перестройка зоны проводимости Ge, которая характеризуется увеличением эффективной массы свободных электронов.

Зависимость тензосопротивления кристаллов р-Si от давления в условиях сильного одноосного давления определяется как эффектом переселения носителей из зоны “легких” в зону “тяжелых” дырок, что приводит к увеличению эффективных масс дырок и сопротивления, так и перестройкой валентной зоны и связанным с ним уменьшением сопротивления. Установлено, что в сильно легированном р-Si зависимость сопротивления от одноосного давления сопротивления от одноосного давления в определенных направлениях имеет экспоненциальный характер, что подтверждает возможность прыжкового характера проводимости.

Ключевые слова: анизотропия кристаллов, одноосная деформация, энергетические зоны, легирование, дефекты структуры, деформационно-индуцированные переходы.

B.B.Sus'. Influence of energy band transformation to physical mechanisms of tenso-effects in highly strained Si and Ge crystals.

Thesis for Candidate's of Science Degree (physics and mathematics) on specialty 01.04.10. - Physics of semiconductors and dielectrics, Taras Shevchenko Kyiv University, Kyiv, 2006

The dissertation presents the study of tensoeffects in Ge and Si crystals under high uniaxial pressure and its influnece to the energy structure of n- and p-type crystals. It is shown that anisotropy of tensoeffects in Ge and Si is defined by the energy spectra of crystals and that is considerably depends on the influence of uniaxial pressure. It is discussed the possibility of determination by the means of uniaxial pressure of presence energy states of structure-defects, shallow and deep levels which arises at growing, doping, high temperature annealing and -irradiation processes. Possible mechanisms of the strain induced metal-insulator (MI) transition determined by peculiarities of the c-band energy spectrum transformation in Ge crystals heavily doped by shallow donors have been investigated.

Data of analysis of temperature dependencies of tensoresistivity effects approve that the exponential decreasing of resistivity with pressure which observed in neutron doped gamma irradiated silicon is connected with additional to dominant Smith-Herring's redistribution of conductance band electrons between the ₁-minima. It was established that with the classical mechanisms of electron redistribution the dominant mechnanism is an additional strain-induced ionization of both radiation defects (P, A-centers) and termodonors-II that appears after annealing of neutron transmutation doped crystals.

The activation energies of thermodonors-II were determined for high resistance silicon _i1 = 78 1.5 meV and _i2 180 meV.

Results of experimental measurements of a tenzorezistive effects in degeneratively doped n-Ge specimens at high uniaxial pressure allowed to determine metal insulator transition. The strain-induced metal insulator transition is realized in impurity band of Ge that is formed by the donor sublattice in the crystals with high level of doping. Appearance of an activation energy in n-Ge in the range of strain-induced metal insulator transition indicates that the localization of electron on impurity center takes place as a consequence of an appropriate transformation of the energy spectrum of the conduction band of Ge which is characterized by the increase of the effective mass of electron.

The main statements of the effective mass-donor concept for hydrogen-like impurities in semiconductors were verified on the basis of the experimental investigations of the metal-insulator transition in high uniaxially strained monocrystalline germanium.

The similar behaviors and different ones of strain-induced transitions phenomenon in Si and Ge crystals were observed and analyzed. The results of tensoeffects analysis in uniaxially strained p-Si show that tensoresistivity is defined by hole redistribution between light hole and heavy hole subbands. Effective mass of holes is found to increase with uniaxial strain. The low temperature tensoresistivity decrease at high uniaxial pressure is defined by hole subbands transformation. Results of analysis of tensoresistivity in heavely doped p-Si approve that the exponential dependence is associated with hoping hole conductivity mechanism.

Key Words: crystal anizotropy, uniaxiall stress, energy band, doping, structure impuritues, strain-induced transition.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор КОЛОМОЄЦЬ Володимир Васильович, Інститут фізики напівпровідників НАН України ім. Лашкарьова, м. Київ, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор ЖАРКИХ Юрій Серифимович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, професор;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник БОНДАР Віталій Михайлович, Інститут фізики НАН України, м. Київ, відділ електроніки твердого тіла, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут ядерних досліджень, відділ радіаційної фізики, м. Київ.

Захист відбудеться “29” травня2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, проспект академіка Глушкова 2, корп. 5.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “11 ” квітня2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.І Кельник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. У зв'язку з розширенням застосування напівпровідникових приладів все більш жорсткі вимоги пред'являються до характеристик і параметрів як вихідних матеріалів, так і приладів на їх основі. Дослідження властивостей напівпровідників в екстремальних умовах впливу зовнішніх факторів (сильні електричні і магнітні поля, великі дози іонізуючого випромінювання, високі тиски тощо) дають можливість визначити механізми фізичних явищ і розробляти прилади з кращими техніко-економічними та екологічними показниками.

Комплексні дослідження явищ, обумовлених анізотропними властивостями напівпровідників, дають можливість одержати потрібну інформацію про їх енергетичну структуру, механізми досліджуваних ефектів, а також визначати характеристики і параметри матеріалів, що важливо для розуміння фізичних процесів, які відбуваються за умов різного роду впливів на властивості кристалів сильних тисків, опромінення частинками високих енергій, відпалу при різних температурах тощо.

Важливою проблемою є вивчення механізмів переходу від металічного типу провідності до провідності активаційного типу і навпаки, так званого фазового переходу метал-ізолятор (МІ). Інтерес до дослідження i практичного використання фазового переходу МІ пов`язаний з тим, що в останні роки з`явились реальні сфери застосування даного фізичного явища. Однією з найбільш перспективних областей застосування переходу метал-ізолятор є оптоелектронiка, де використовуються ефекти зміни оптичних властивостей матеріалів в області фазового переходу. Дослідження впливу екстремально високих одновісних тисків на властивості сильнолегованих кристалів дають можливість визначити закономірності та механізми деформаційно-індукованих переходів метал-ізолятор і порівняти експериментальні дані з висновками різних теоретичних підходів до цього питання.

Дослідження тензоефектів у напівпровідниках важливі також з точки зору використання одержаних результатів для розробки чутливих сенсорів фізичних величин, які використовуються у різних галузях промисловості, зокрема для створення надійних датчиків тиску, температури, магнітного поля, розрахованих на тривале і стабільне функціонування в екстремальних умовах експлуатації. В поєднанні з сучасними розробками в галузі мікроелектроніки та інших областях електронної техніки напівпровідникові сенсори тиску можуть використовуватись в медицині, наприклад для створення як звичайних так і внутрішньосудинних датчиків кров'яного тиску, що дає змогу значно покращити діагностику захворювань. Як свідчать останні публікації, в умовах напрямлених тисків, які виникають внаслідок штучного створення деформації в напівпровідникових приладах, отриманих епітаксіальним нарощуванням шарів на основу з іншим періодом кристалічної гратки (наприклад, на підкладку з розчину Si-Ge), досягається помітне збільшення рухливості носіїв заряду, внаслідок чого зростає швидкодія мікросхем.

Оскільки сильна одновісна деформація обумовлює радикальну перебудову енергетичних спектрів зон дозволених енергій та зміну енергетичних станів дефектів, локалізованих в забороненій зоні, найбільш суттєві зміни фізичних властивостей кристалів (в порівнянні зі слабкими деформаціями) повинні відбуватися в області активаційної провідності сильно деформованих напівпровідників. Тому експериментальні дослідження зміни електрофізичних властивостей дають необхідну інформацію про характеристики енергетичних станів домішок і інших дефектів та їх параметри в сильно деформованих кристалах.

Таким чином, дослідження закономірностей тензорезистивних ефектів і, зокрема, анізотропних властивостей сильно деформованих монокристалів кремнію і германію, які є модельними напівпровідниками з добре вивченими класичними ефектами, прояв нових фізичних тензорезистивних ефектів, а також можливість їх застосування для створення сучасних напівпровідникових приладів обумовлює актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках планових фундаментальних наукових досліджень Інституту напівпровідників НАН України за темами: “Фізичні та фізико-технічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної електроніки” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, протокол №12 від 11.11.1999 р. Шифр теми 1.3.7.3); “Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сенсорних систем на їх основі” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України. Протокол № 11 від 27.11.2002 р.

Об'єктом досліджень були кристали Si та Ge з різним типом провідності і концентрацією домішок, легування яких відбувалось в умовах вирощування з розплаву, а також внаслідок опромінення повільними нейтронами в реакторі з наступним технологічним відпалом чи подальшим опроміненням різними дозами -квантів.

Предмет дослідження тензорезистивні ефекти, обумовлені трансформацією енергетичних зон сильно деформованих монокристалів Si і Ge з різним типом провідності і концентрацією домішок, легованих різними способами. тензорезистивний енергетичний кристал легування

Мета й завдання дослідження: визначення закономірностей тензорезистивних ефектів, обумовлених перебудовою енергетичних зон кристалів Si та Ge під дією сильної одновісної деформації і дослідження анізотропії тензорезистивних ефектів, пов'язаної зі змінами симетрії кристалів, способу і рівня легування, дози -випромінювання тощо.

Згідно з метою визначено конкретні завдання дослідження:

Розвинути методику одержання екстремально високих одновісних тисків у кристалах Si і Ge без руйнування дослідних зразків.

Визначити домінуючі механізми тензорезистивних ефектів як результат зміни енергетичної структури при сильних одновісних тисках у легованих різними методами Ge i Si, що піддавались зовнішнім впливам.

Дослідити закономірності тензорезистивних ефектів у зв'язку зі змінами в енергетичній структурі, обумовленими наявністю технологічних дефектів у нейтронно-легованих кристалах n-Si(P) при сильних одновісних деформаціях.

Дослідити закономірності тензорезистивних ефектів у зв'язку зі зміною енергетичної структури зон в сильно легованих і вироджених кристалах n-Ge, що призводить до утворення деформаційно-індукованого переходу метал-ізолятор при сильних одновісних тисках.

Дослідити тензорезистивні ефекти як результат перебудови енергетичної структури зон в сильно легованих кристалах p-Ge в умовах сильного одновісного тиску.

Наукова новизна. На основі даних аналізу результатів експериментальних досліджень встановлено, що закономірності тензорезистивних ефектів у сильно деформованих кристалах Ge і Si визначаються радикальною перебудовою енергетичної структури кристалів і характеризуються механізмами, які залежать від орієнтації і величини одновісної деформації.

Встановлено, що дослідження електрофізичних властивостей одновісно деформованих кристалів, виконані в широкій області тисків, дають можливість виявляти різні види дефектів структури напівпровідника, глибокі центри, що виникають при вирощуванні кристалу, нейтронному легуванні, ?-опроміненні, технологічному відпалі, а також дозволяють визначати механізми деформаційно-індукованих фазових переходів у сильно легованих Ge і Si n- і р-типу.

На основі досліджень тензорезистивних ефектів в нейтронно-легованих -опромінених кристалах n-Si визначено особливості деформаційно індукованої іонізації енергетичних станів різного типу дефектів (фосфор, А-центри, високотемпературні термодонори), які утворюються в нейтронно-легованому Si в умовах реалізації стандартної технології нейтронного легування Si і подальшого опромінення зразків -квантами. Деформаційно індукована іонізація дефектів технологічного походження в кристалах нейтронно-легованого Si відбувається в широкому інтервалі температур (25?250К) і залежить від типу дефекту. Встановлено, що технологічним термодонорам в нейтронно-легованому Si відповідають два енергетичних рівні в забороненій зоні з енергіями активації 78 і 180 меВ.

Досліджено вироджені кристали Ge(Sb) в умовах сильного одновісного тиску. Встановлено, що вихідною причиною деформаційно-індукованого фазового переходу металізолятор в одновісно деформованих у напрямку [001] вироджених кристалах n-Ge(Sb) є відповідна перебудова енергетичного спектру зони провідності, пов'язана з інверсією типу абсолютного мінімуму сзони, яка характеризується збільшенням ефективної маси вільних електронів, що у відповідності з висновками теорії ефективної маси (ТЕМ) повинно приводити до локалізації електрона на домішковому атомі, появі енергії активації й переходу до провідності в області температур 4,2 ?15 К .

Аналіз результатів вимірювань тензоефектів у сильно легованому р-Si(B) показав, що поблизу концентраційно-контрольованого переходу метал-ізолятор на його діелектричному боці залежності опору кристалів від одновісного тиску мають експоненціальний характер в області малих тисків і відзначаються наявністю максимуму, положення якого на осі Х залежить від кристалічної орієнтації дослідних зразків. Експоненціальний характер залежності опору від одновісного тиску в області переходу метал-ізолятор в кристалах р-Si може бути використаний для створення чутливих тензодатчиків різного призначення в діапазоні кріогенних температур.

Практичне значення результатів досліджень. Результати аналізу тензорезистивних властивостей -опромінених кристалів n-Si, легованих фосфором як під час вирощування, так і методом трансмутації при опроміненні повільними нейтронами, показали доцільність використання методу досліджень явища транспорту сильно деформованих кристалів для вивчення причин утворення дефектів і їх впливу на електрофізичні властивості. Одержані дані можуть бути використані для вдосконалення режимів технологічних відпалів кристалів Si, опромінених повільними нейтронами в ядерному реакторі з метою трансмутаційного легування.

Експоненціальний характер зростання на декілька порядків опору зі збільшенням одновісного тиску в області переходу метал-ізолятор в кристалах Ge і Si n- і р-типу може бути використаний для створення чутливих тензодатчиків в діапазоні кріогенних температур як для області малих, так і великих тисків.

Особистий науковий внесок. Брав участь у вдосконаленні методики вимірювання тензоефектів при сильних одновісних тисках, зокрема розробці схеми вимірювання тензоопору високоомних зразків, брав безпосередню участь у розробці схеми автоматизації вимірювань за допомогою комп?ютера, проводив вимірювання залежностей , , , підготовляв дослідні зразки, брав участь у підготовці експерименту, а також в обговоренні результатів вимірювань і підготовці наукових публікацій. Усі основні результати дисертації отримано автором особисто. У роботі [1] автором проведено вимірювання температурних залежностей тензоопору для n-Ge і доведено, що збільшення ефективної маси електрона приводить у відповідності з висновками ТЕМ до перебудови домішкових зон в сильно легованих мілкими домішками кристалах Gе. У роботі [2] автором проведені вимірювання тензоопору n-Ge при різних тисках в залежності від температури, на основі чого показано, що поява і зростання з тиском енергії активації ?₂-провідності в області деформаційно-індукованого переходу метал-ізолятор пов'язано з локалізацією електронів на домішкових центрах внаслідок відповідної зміни енергетичних зон Ge, які характеризуються зміною ефективних мас електронів. У роботі [3] автором проведено вимірювання температурних залежностей тензоопору і тензоефекту Холла для n-Gе і встановлено, що в нейтронно-легованому Si такі важливі параметри як пружні константи, константи деформаційного потенціалу залишаються такими ж як і в кристалах Si, легованому фосфором з розплаву, а всі відмінності в характері залежностей = f(Х) пов'язані з появою в трансмутаційно легованих кристалах так званих термодонорів, які й визначають закономірності тензорезистивних ефектів в нейтронно-легованому Si. У роботі [4] автором проведені вимірювання тензоопору і коефіцієнта Холла в залежності від температури і визначено енергії активації термодонорів в нейтронно-легованому Si. Встановлено, що відхилення від лінійності залежності = f(Х) обумовлене в різних нейтронно-легованих кристалах одним і тим же внеском однакової кількості термодонорів. У роботі [5] автором проведені вимірювання температурних залежностей тензоопору в діапазоні тисків 0-2,5 ГПа, визначено суттєве збільшення енергій активації e₂-провідності і e₁-провідності в області деформаційно-індукованого переходу МІ.

Апробація роботи. Результати дисертаційних досліджень доповідались на наукових семінарах і конференціях:1-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (з міжнародною участю) (Україна, Одеса. 10-14 вересня 2002 р.); III International Young Scientist's Conference on Applied Physics. Radiophysics faculty. Kyiv National Taras Shevchenko University. June 18-20, 2003, Kyiv, Ukraine; XIII-й Міжнародній конференції “Радиационная физика твердого тела” (Севастополь, 30 червня-5 липня 2003р.);IV-й Міжнародній школі-конференції "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, Україна, 24-27 червня 2003 р.);Міжнародній конференції “Взаимодействие излучений с твердым телом” (ВИТТ-2003). Mинск, Беларусь, 2003 г.; Fourth International Young Scientist's Conference on Applied Physics. June 21-23, 2004, Kyiv, Ukraine. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radiophysics; Eleventh International Conference on HIGH PRESSURE SEMICONDUCTOR PHYSICS, August 2-5, 2004, University of California Berkeley, CA, USA; ІІ-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (УНКФН-2). Чернівці-Вижниця, Україна, 2004; Міжнародній науково-технічній конференції “Сенсорна електроніка і мікросистемні технології” (СЕМСТ-1). Україна, Одеса. 2004 р.; Fifth International Young Scientist's Conference on Applied Physics. June 20-22 2005, Kyiv, Ukraine. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radiophysics; V-й Міжнародній школі-конференції "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, Україна, 27-30 червня 2005 р.).

Публікації. Основні результати дослідження викладені в 14 наукових працях, з яких 5 статей - у фахових наукових виданнях, 2 доповіді - у збірниках матеріалів конференцій, 7 тез конференцій

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, та висновків. Загальний обсяг дисертації 149 с. містить 45 рисунків, 3 додатки. Список використаних джерел нараховує 115 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, задачі та об'єкт дослідження, відзначено наукову новизну одержаних результатів і висвітлено практичне значення результатів дисертації

В першому розділі зроблено аналіз літератури по дослідженню тензорезистивних ефектів у кристалах Ge i Si, обумовлених перебудовою енергетичних зон у сильно деформованих кристалах при різних умовах легування, технологічних процесів, радіаційних впливів тощо і на його основі визначено напрямок дисертаційних досліджень.

Проаналізовано ряд робіт, присвячених дослідженню закономірностей тензорезистивних ефектів в кристалах n-Si i n-Ge при одновісних тисках, завдяки яким відбувається повне переселення електронів у долини, що опускаються по шкалі енергій. Теоретичні розрахунки, одержані в рамках теорії анізотропного розсіювання (ТАР), добре узгоджуються з експериментальними залежностями _Х /₀ = f(X) у всій області одновісних тисків для різних концентрацій носіїв заряду і різних орієнтацій одновісного тиску вздовж головних кристалографічних напрямків. Однак експериментальні дослідження тензорезистивних ефектів у сильно деформованих кристалах n-Ge при орієнтації осі деформації, яка забезпечує синхронне зміщення по енергії всіх еквівалентних L₁-долин зони провідності Ge (X||[100]), що не повинно приводити до зміни опору, обумовленого механізмом перерозподілу електронів між L₁-долинами, виявили значне збільшення опору кристалів в області тисків Х?1,5 ГПа. На основі аналізу одержаних даних встановлено, що всі закономірності зазначеного ефекту обумовлені явищем L₁-₁-інверсії абсолютного мінімуму зони провідності Ge. Збільшення опору при цьому пов'язане із зростанням ефективної маси внаслідок переселення електронів із 4-х L₁-долин (“германієві” долини) у 2-і ₁ -долини (“кремнієві” долини) с-зони, яке завершується при 78 К в області тисків Х?2,5 ГПа. Зроблені висновки, що аналогічні дослідження важливо провести з виродженими кристалами, оскільки особливості перебудови енергетичних зон та закономірності тензорезистивних ефектів при сильних тисках в сильно легованих (вироджених) кристалах n-Ge створюють умови для виникнення фазового переходу метал-ізолятор.

Згідно з теорією, при збільшенні концентрації домішок енергія активації провідності ?_a зменшується, а коли стає близьким до критичного значення N_c ? прямує до нуля. При > N_c питомий опір і коефіцієнт Холла майже не залежать від температури аж до найнижчих темепратур (одиниці міліКельвіна), тобто, проявляються металічні властивості. Критична концетрація N_{c ,} при якій відбувається перехід метал-ізолятор, визначається критерієм Мотта: (N_c ) ^1/3 a_B ? 0,25, де a_B ? ефективний радіус Бора. Теоретичне описання явищ переносу в області металічної провідності із залученням механізму домішкового розсіювання забезпечує гарне кількісне узгодження з експериментом в умовах підвищеного, але не сильного рівня легування. Однак, в області концентрацій, коли a_B >>1, теорія тільки якісно узгоджується з експериментом. Таким чином, механізми розсіювання у випадку сильно легованих напівпровідників з концентрацією домішкових центрів, що відповідає металічній стороні переходу метал-ізолятор, досі не з'ясовані. Тому подальше проведення досліджень в цьому напрямку є актуальним. З метою визначення фізичних механізмів деформаційно-індукованих фазових переходів метал-ізолятор у вироджених кристалах n-Ge(Sb) необхідні комплексні дослідження тензорезистивних ефектів у сильно деформованих кристалах.

Аналіз результатів досліджень щодо впливу одновісної деформації на явища переносу в кристалах кремнію і германію р-типу показав, що механізми тензоопору в p-Ge i p-Si обумовлені перебудовою енергетичної структури валентної зони у зв'язку з розщепленням при Х=0 в точці k=0 зон “легких” і “важких” дірок. З метою з'ясування впливу перебудови енергетичної структури валентної зони на анізотропію тензорезистивних ефектів в умовах сильного одновісного тиску вбачається важливим дослідження сильнолегованих кристалів p-Ge i p-Si. У невироджених кристалах p-Ge і p-Si при збільшенні одновісного тиску відбувається переселення носіїв заряду із зони “легких” у зону “важких” дірок, що повинно б привести до збільшення опору. Однак для всіх основних кристалографічних напрямків цей ефект не проявляється, навпаки, поздовжній тензоопір невироджених кристалів p-Ge і p-Si стрімко зменшується. Пояснюється це головним чином тим, що внаслідок перебудови валентної зони відбувається процес, який призводить до істотного зменшення ефективної маси “важких” дірок і, відповідно, збільшення їх рухливості. Така зміна тензоопору є результатом деформаційно-індукованої перебудови енергетичного спектру, тому дослідження сильно легованих кристалах p-Sі(В) в області великих одновісних тисків являє інтерес для розуміння природи тензоефектів.

Деформаційно-індукована перебудова енергетичних спектрів впливає на анізотропію тензорезистивних ефектів, пов'язаних з дефектами, які визначають фізичні властивості напівпровідників. Дефекти утворюються як при вирощуванні кристалів, так і при технологічних обробках зразків. Так, характерною особливістю монокристалів кремнію і германію, вирощених за методом Чохральського є їх шарувата структура, з якою пов'язана періодична зміна концентрації домішки в напрямку росту кристалу, а також періодичність градієнтів питомого опору. Рухливість носіїв заряду і анізотропія рухливості повинні бути досить чутливими стосовно наявності в матеріалі таких неоднорідностей. Відповідь на ці питання повинні дати дослідження тензоефектів в умовах сильної одновісної деформації у зв'язку з перебудовою енергетичної структури кристалів.

Дія жорсткого випромінювання (нейтронів, ?-променів) на напівпровідникові матеріали також спричиняє зміну їх властивостей, пов'язану з утворенням первинних радіаційних дефектів, які є причиною виникнення широкого набору електрично активних центрів. Утворення радіаційних дефектів відбувається переважно в локально напружених областях гратки, поблизу домішки або інших дефектів. Тому важливим напрямком дослідження дефектів напівпровідників є їх утворення в умовах радіації. Відомим є метод легування кремнію повільними нейтронами, що призводить до перетворення ядер ізотопу ³⁰Si у ядра фосфору. Оскільки при нейтронному легуванні має місце однорідний розподіл домішки фосфору, цей метод перспективний в електроніці, зокрема при виробництві високовольтних потужних приладів, а також в мікроелектроніці. Нейтронно леговані кристали характеризуються також підвищеною стійкістю до впливу ?-опромінення. Однак при нейтронному легуванні виникає багато радіаційно-індукованих та вторинних дефектів міжвузольних атомів кремнію, вакансій (V), ді-вакансій (V-V), комплексів типу вакансія-домішка, а також дефектів, поєднаних з розупорядкуванням. Для нейтралізації радіаційних дефектів проводиться відпал нейтронно легованих зразків Sі. Таким чином, вивчення дефектів у нейтронно-легованому Si з метою визначення їх впливу на електрофізичні властивості кремнію і приладів на його основі, кращого розуміння динаміки дефектів і їх природи в напівпровідниках є актуальною проблемою. Оскільки дефекти суттєво впливають на енергетичну структуру, дослідження нейтронно-легованих кристалів в умовах сильного одновісного тиску є перспективним.

У другому розділі описана методика експериментальних досліджень тензорезистивних ефектів у напівпровідниках при сильних одновісних тисках, що більш ніж на порядок перевищують відомі в літературі. Вивчення тензоефектів у таких умовах має цілий ряд особливостей. Напівпровідникові кристали з ковалентним типом зв'язку (Ge, Si) відзначаються підвищеною крихкістю, тому для досягнення великих одновісних тисків без руйнування кристалів необхідна спеціальна технологія виготовлення зразків, нанесення контактів, встановлення зразків тощо. Дослідження пов'язані також з необхідністю проведення вимірювань питомого опору під дією механічних напруг для точно заданих кристалографічних напрямків, оскільки виявлення ефектів, які повинні досліджуватись, і їх величини сильно залежать від орієнтації кристалу, умов виготовлення зразків, якості контактів і т.п. Тому в процесі підготовки експерименту та його проведення виникає необхідність точного дотримання всіх необхідних технологічних операцій та методики вимірювання. Особлива увага приділяється вимірювальному комплексу, який повинен забезпечувати одержання достовірних експериментальних даних. Дослідження в умовах сильного одновісного тиску проводились на виготовлених за особливою технологією гантелеподібних зразках циліндричної форми і на спеціальній установці, яка забезпечує автоматизацію вимірювань за допомогою комп'ютера.

У третьому розділі досліджено анізоторпний характер впливу сильних одновісних тисків на енергетичні стани технологічних дефектів у високоомних нейтронно легованих кристалах кремнію.

В кристалах Si , легованих фосфором з розплаву, при орієнтаціях одновісного тиску X||[100], в області температур 78?120 К і концентраціях 10¹⁸ N_p 10²⁰ м^-3, тензоефекти обумовлені міждолинним перерозподілом електронів. Оскільки ізоенергетичні еліпсоїди характеризуються анізотропією рухливості носіїв струму, перерозподіл електронів приводить до зростання ? /?= f(Х) і виходу опору на насичення, коли процес деформаційно-індукованого переселення електронів у долини, що опускаються, завершується в області сильних тисків (криві 1,3,4 на рис.1).

Спад залежності ?/?= f (Х) в області сильних тисків для нейтронно легованих кристалів n-Si(P) при Т = 78 К дає підстави говорити про неповну іонізацію деяких донорних рівнів у забороненій зоні і відповідне зменшення їх енергії іонізації зі збільшенням тиску.

Для області слабкої іонізації домішок концентрація електронів у зоні провідності підлягає розподілу Больцмана і залежить від енергії іонізації домішок . При зростанні тиску рівень термодонорів W_тд наближається до дна зони провідності і концентрація електронів зростає, що призводить до зменшення тензоопору. Таке припущення знайшло також підтвердження в дослідах по вивченню температурної залежності ефекту Холла. Характер зміни сталої Холла при Т = 78 К в кристалах n-Si, легованих методом ядерної трансмутації, переконливо вказує на наявність глибоких центрів, тоді як для кристалів кремнію, легованих з розплаву, концентрація носіїв струму в області температур 78?300 К не змінюється. Вплив додаткової іонізації термодонорів під дією одновісного тиску на тензорезистивні властивості кремнію залежить також від концентрації фосфору. У відповідності з теорією анізотропного розсіювання в умовах класичного розподілу електронів по енергіях відношення концентрацій електронів у “верхній” і “нижній” долинах одновісно деформованих кристалів кремнію може бути визначене співвідношенням , де величина енергетичного розщеплення між долинами. Однак, в одновісно деформованих кристалах енергетичне розщеплення між долинами пропорційне тиску: Х, тому виходить, що lg () Х. Тобто, для механізму тензорезистивного ефекту, що визначається тільки міждолинним перерозподілом електронів в n-Si, деформованому у напрямку 100, має місце лінійна залежність логарифму відношення концентрацій і від тиску. Оскільки в n-Si поздовжній тензорезистивний ефект обумовлений виключно перерозподілом електронів між долинами, то будь-яке відхилення від лінійності побудованих на основі даних вимірювань тензорезистивного ефекту залежностей lg() = f(X) буде означати наявність додаткового до міждолинного перерозподілу електронів механізму тензоефектів. Дослідження показали, що тільки для досить чистих кристалів кремнію, легованих фосфором під час вирощування з розплаву, можна отримати лінійну залежність lg ( ) = f(X). Така лінійна залежність, одержана на основі даних вимірювань поздовжнього тензорезистивного ефекту при Т=78 К в кристалах n-Si, легованого домішкою фосфору з розплаву, представлена кривою 1 на рис.3 (3,0?10¹³ см^-3 ).

У даному випадку це пов'язано з відносним збільшенням внеску в тензорезистивні ефекти (поряд з міждолинним перерозподілом електронів) механізму деформаційно індукованої іонізації високотемпературних термодонорів при зменшенні концентрації основної електрично активної домішки фосфору. Можна вважати, що за умови приблизно однакової кількості кисню в кристалах і однакових температурних та часових режимах відпалу, концентрація термодонорів повинна бути приблизно однаковою в усіх нейтронно легованих кристалах кремнію, що й обумовлює зростання впливу додаткової іонізації термодонорів під дією одновісного тиску на тензорезистивні властивості зі зменшенням концентрації фосфору. Іншими словами, у більш “чистих” кристалах нейтронно легованого n-Si(Р) з меншою концентрацією легуючої електрично активної домішки фосфору має місце більш вагомий внесок додаткового до міждолинного перерозподілу електронів механізму тензоефектів. Одержані в дисертації результати аналізу вимірювань поздовжнього тензорезистивного ефекту в широкій області одновісних тисків (0-1,2 ГПа) у легованих фосфором з розплаву та в нейтронно легованих кристалах кремнію, переконливо підтверджують припущення щодо суттєвого впливу на електрофізичні властивості нейтронно легованих кристалів термодонорів, які виникають в кристалах внаслідок проведення технологічного високотемпературного відпалу після опромінення нейтронами.

При дослідженнях дефектів структури кремнію застосовується -опромінення, оскільки при малих дозах вводяться дефекти, що взаємодіють з уже існуючими дефектами. Ця взаємодія відбувається найбільш ефективно в локально напружених областях гратки, тобто поблизу домішок або інших дефектів, що може підвищити ступінь однорідності кристалів. Високий тиск може змінювати умови в локальному оточенні, тому повинні виявитися особливості тензорезистивних ефектів.

На закономірності тензорезистивних ефектів у кристалах n-Sі може істотно впливати наявність шаруватих періодичних неоднорідностей. В кристалах, легованих при вирощуванні з розплаву, неоднорідність розподілу домішки при стискуванні в еквівалентних напрямках 100 не проявляється, однак її вдається виявити в -опромінених кристалах. За таких умов тензоопір в напрямку осі росту і в перпендикулярному напрямку суттєво відрізняється, що обумовлено неоднорідною компенсацією донорної домішки внаслідок -опромінення, пов'язаною з наявністю шаруватого розподілу легуючої домішки фосфору. Для нейтронно легованих кристалів n-Si(P) анізотропія поздовжнього тензорезистивного ефекту в еквівалентних кристалографічних напрямках [100] і [001] значно менша, причому як в неопромінених, так і в опромінених ?-квантами кристалах.

Таким чином, порівняно з методом легування з розплаву, нейтронне легування напівпровідників дає більшу однорідність розподілу домішки по всьому об'єму кристалу. Однак технологія нейтронного легування передбачає високотемпературний відпал (?800850?С протягом двох годин) з метою усунення порушень кристалічної гратки, які виникають під час опромінення в реакторі, що призводить до утворення глибоких електрично активних центрів (ЕАЦ) так званих високотемпературних термодонорів (ТД). Високотемпературні термодонори технологічного походження утворюють глибокі центри, для виявлення і вивчення яких були проведені дослідження кристалів кремнію при сильному одновісному тиску. Глибокі центри утворюються в кристалах n-Si(P) в умовах реалізації технології нейтронного легування (високотемпературні термодонори). Встановлено зміну енергетичного положення рівнів дефектів радіаційного походження (Р, А-центри, ТД) від тиску (X||[100]), що добре видно з температурної залежності опору нейтронно-легованих кристалів кремнію (концентрація фосфору n = 3.15?10¹⁴ ) при різних тисках (рис.4), які після нейтронного легування піддавались ?-опроміненню (доза ? 2,1?10¹⁷ квант/см).

На рис.4. представлені залежності ?_х/?= f(Т) (криві 1-2), а також коефіцієнта Холла (криві 3,4,5) для нейтронно-легованих зразків кремнію з концентрацією фосфору 2,3?10, що отримали дозу ?-опромінення: крива 3 ?= 0; криві 1,2,4,5 ? ? 2,1?10¹⁷ квант/см при різних значеннях одновісного тиску: криві 1, 3 ? Х =0.

Аналіз температурної залежності коефіцієнта Холла в неопромінених (= 0) і недеформованих (Х=0) зразках нейтронно-легованого кремнію (крива 3 на рис.4) свідчить, що крім рівня фосфору, який повністю іонізується при Т ?100 К (рівень Р), ще існує рівень, який іонізується при Т ? 120 К (рівень Тд, рис.4).

У розділі 4 приведено результати досліджень механізму деформаційно-індукованого переходу метал-ізолятор (МІ) у вироджених кристалах Ge(Sb) n-типу, що виникає внаслідок перебудови енергетичного спектру кристалу в умовах екстремального одновісного тиску.

Перехід метал-ізолятор реалізується за рахунок збільшення рівня легування. Зростання концентрації домішки призводить до збільшення ступеня перекриття хвильових функцій домішкових атомів і делокалізації електронів при досягненні критичного значення концентрації домішки N_c . В кристалах Ge при сильному легуванні мілкими домішками виникає провідність металічного типу, характерною ознакою якої є незалежність опору від температури.

На рис.5 представлена залежність питомого опору від температури в логарифмічному масштабі для n-Gе(Sb) при різних значеннях тиску Х (ГПа), орієнтованого в напрямку [100], при якому відсутнє міждолинне переселення електронів, оскільки відбувається “синхронне” зміщення енергетичних мінімумів зони провідності (криві: 1 0; 2 1,50; 3 1,70; 4 1,90; 5 2,11; 6 2,20; 7 2,50 ГПа. 5,3). Крива 1 знята без деформації (Х=0), з якої видно, що в інтервалі 4-15 К опір не залежить від температури, тобто має місце металічний тип провідності, оскільки концентрація домішки стибію перевищує величину критичної концентрації цієї домішки.

Очевидно, що такий перехід спричинений зміною енергетичних спектрів кристала при одновісному тиску, оскільки при цьому концентрація домішки не змінюється.

Згідно з теорією ефективної маси перехід метал-ізолятор визначається критерієм Мотта: a ? 0,26. Якщо врахувати, що борівський радіус орбіти електрона, локалізованого на мілких домішках а = ( діелектрична проникність), то критерій Мотта має вигляд: () ? 0,26, звідки видно, що збільшення ефективної маси електронів обумовлює збільшення критичної концентрації домішки N_c , при якій настає перехід метал-ізолятор. Збільшення величини ефективної маси електрона, яке відбувається при зростанні напрямленого тиску Х, приводить до зменшення величини борівського радіусу і до локалізації електрона на домішці, в результаті чого й відбувається перехід метал?ізолятор. Такі висновки підтверджуються даними досліджень деформаційно-індукованих переходів метал-ізолятор у вироджених кристалах n-Ge(Sb).

Аналіз температурних залежностей питомого опору від температури (log?=f(1000/T) (рис.5), виміряних при різних значеннях одновісного тиску Х//[100], дає можливість оцінити залежності енергій активації ?₂ провідності і провідності від тиску в області деформаційно індукованого переходу МД (рис.6).

У розділі 5 досліджені тензорезистивні ефекти в сильно легованих кристалах p-Si(B). Закономірності тензорезистивних ефектів у Ge і Si n-типу, як це показано в попередніх розділах, тісно пов'язані з енергетичними зонами кристалів. Оскільки структури валентних зон Ge і Si принципово відрізняються від їх зон провідності, то в умовах сильного одновісного тиску кристалів р-типу слід очікувати особливостей тензоефектів порівняно з кристалами n-типу.

Проведені дослідження поздовжнього тензоопору у сильнолегованих кристалах p-Si в широкому діапазоні тисків більше 3,5 ГПа у кристалографічних напрямках [100], [110], [111] при Т = 4,2 K, результати яких представлені на рис.7.

При одновісній деформації відбувається розщеплення зон “легких” і “важких” дірок, в результаті чого “легкі” дірки із зони з більшою кривизною переходять у вищу зону з меншою кривизною, де їх ефективна маса стає більшою. Така зміна зонної структури з тиском повинна призвести до збільшення тензоопору. Інша зміна зонного спектру пов'язана зі зміною самої структури валентних зон. Двократно вироджений екстремум можна представити ізоенергетичними поверхнями типу деформованих сфер, що знаходяться одна в одній. При збільшенні механічної напруги компонент поздовжньої ефективної маси дірок "сплюснутого" ізоенергетичного еліпсоїда зони важких дірок, які визначають рухливість електронів в напрямку [111]//, в результаті перебудови зонного спектру значно зменшується. Це й обумовлює суттєве зменшення опору кристалів за рахунок домінуючого механізму зменшення ефективної маси “важких” дірок із зростанням одновісного тиску Х, незважаючи на наявність механізму зростання ефективної маси “легких” дірок при переселенні в зону “важких” дірок.

Для різних орієнтацій хід кривих залежності тензоопору від тиску подібний, однак спостерігаються й особливості. Так, зміна тензоопору в напрямках [110] і [111] відрізняється на три порядки і на певних ділянках залежність логарифму опору від тиску має лінійний характер. Така залежність говорить про складність змін енергетичної структури валентних зон в умовах одновісного тиску. Лінійні залежності логарифму опору від тиску можуть бути використані при створенні тензодатчиків аналового типу для області кріогенних температур.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що поряд з класичним механізмом перерозподілу електронів (механізм Сміта-Херрінга) в кристалах нейтронно-легованого n-Si(P), додатковим механізмом в області сильних одновісних деформацій є деформаційно-індукована іонізація радіаційних дефектів (фосфор, А-центри) і дефектів технологічного походження (термодонори), які виникають внаслідок відпалу кристалів після їх опромінення в реакторі повільними нейтронами.

2. Доведено, що закономірності явищ транспорту у високоомному нейтронно-легованому n-Si(P) (температурні залежності опору, тензорезистивні ефекти в сильно деформованих кристалах) значною мірою визначаються наявністю високотемпературних технологічних термодонорів (ТД-ІІ), вплив яких на електрофізичні властивості кристалів зростає зі зменшенням рівня легування атомами фосфору трансмутаційного походження.

3. Доведено, що відхилення від лінійного закону залежності від тиску логарифму відношення концентрації електронів у верхніх ₁-долинах до їх концентрації у нижніх ₁-долинах нейтронно-легованого n-Si(P), характерного для домінуючого механізму перерозподілу електронів в багатодолинних напівпровідниках, та зміна нахилу лінійної ділянки залежності обумовлені впливом додаткового до міждолинного перерозподілу механізму тензоефектів, спричиненого деформаційно-індукованою іонізацією термодонорів.

4. На основі досліджень закономірностей тензорезистивних ефектів в сильно деформованих вироджених кристалах n-Ge(Sb) (Х//[100], Х>2,1 ГПа) встановлено, що вихідною причиною деформаційно-індукованих фазових переходів металізолятор в n-Ge є радикальна перебудова енергетичного спектру зони провідності германію, яка визначає явище L₁₁ інверсії типу абсолютного мінімуму с-зони і характеризується збільшенням ефективної маси вільних електронів із зростанням тиску, що призводить до локалізації електрона на домішковому атомі, появі енергії активації й переходу від металічного типу провідності до активаційної провідності.

5. Встановлено, що збільшення енергій активацї ₂ і ₁ зі зростанням X пов'язане зі збільшенням ефективної маси електрона, обумовленого явищем L₁₁-інверсії типу абсолютного мінімуму зони провідності германію, яка набуває ознак зони провідності кремнію в області одновісного тиску X>2,5 ГПа, орієнтованого в кристалічному напрямку {100}.