WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Электрофизические и оптические свойства InAs, облученного электронами ( 2 МэВ): энергетическая структура собственных точечных дефектов ¶ ¶¶ © В.Н. Брудный, С.Н. Гриняев, Н.Г. Колин Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете, 634034 Томск, Россия Филиал ФГУП „Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова“, 249033 Обнинск, Россия (Получена 13 мая 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) Представлены результаты экспериментальных исследований электрофизических, оптических свойств и особенностей отжига (до 800C) радиационных дефектов в кристаллах InAs n- и p-типа проводимости, облученных электронами с энергией 2 МэВ интегральными потоками до D = 1 · 1019 см-2. Выполнены расчеты электронной структуры нерелаксированных дефектов VAs, VIn, AsIn и InAs. Обсуждается связь электрофизических свойств и положения уровня Ферми в облученном InAs с электронной структурой собственных дефектов и особенностями зонного спектра полупроводника.

1. Введение облучения на электрофизические параметры ядерно-легированного (ЯЛ) InAs, а также легированного изоваПо особенностям изменения электрофизических лентной примесью Sb. Приведены результаты теоретисвойств под воздействием высокоэнергетической радиа- ческих расчетов электронной структуры дефектов VAs, VIn, AsIn и InAs, предположительно ответственных за ции (электроны, ионы, нейтроны) InAs занимает особое положение среди полупроводников группы алмаза и би- наблюдаемые изменения свойств InAs при электронном нарных соединений группы III-V. Для большинства по- облучении.

лупроводниковых материалов характерна компенсация исходной проводимости и закрепление уровня Ферми 2. Методика эксперимента в пределах запрещенной зоны кристалла в результате высокоэнергетического облучения [1]. В отличие от Для исследований использованы выращенные методом этого в InAs при исходных концентрациях свободных Чохральского кристаллы n- и p-InAs, специально не леэлектронов менее 1018 см-3 всегда наблюдается увегированные, легированные Te, Sn или Zn при выращиваличение концентрации и смещение уровня Ферми в нии, а также материал, легированный одновременно Sn область разрешенных энергий зоны проводимости при и Sb. Как известно, изовалентные примеси используются введении радиационных дефектов (РД). В течение мнодля повышения электрической однородности и струкгих лет исследований такое поведение InAs связывалось турного качества полупроводников [5], и поэтому важно с особенностями формирования РД в этом соединении, изучить влияние этих примесей на процесс образования а именно, с преимущественным накоплением водородорадиационных дефектов. В качестве исходного материаподобных дефектов донорного типа [2]. Только исслела для получения ЯЛ InAs использовался специально не дования сильно легированного n+-InAs (концентрация легированный n-InAs (метод Чохральского) с исходной электронов 2 · 1019 см-3) показали, что в этом соедиконцентрацией электронов n0 =(1-2) · 1016 см-3. Ядернении при радиационном воздействии также вводятся и ное легирование InAs осуществлялось путем его облудефекты акцепторного типа [3]. Это позволило высказать чения нейтронами в реакторе ВВР-ц ФГУП НИФХИ предположение, что влияние доноров (или акцепторов), им. Л.Я. Карпова (г. Обнинск) с последующим отжигом вводимых при облучении, на электрофизические свойпри температурах Tann = 800-900C в течение 20 мин.

ства InAs, а возможно, и на эффективность формироваИзвестно, что при облучении полным спектром рения таких дефектов в сильной степени зависит от уровня акторных нейтронов в In-содержащие полупроводнилегирования и типа проводимости исходного материала.

ки эффективно вводятся атомы Sn (основная реакВ настоящей работе проведены исследования электро115 116 ция In (n, ), In Sn), концентрация которых физических, оптических свойств и отжига РД в облуможет быть оценена из соотношения NSn 2.9Dtn, ченных электронами объемных образцах InAs, которые здесь Dtn — интегральный поток тепловых нейтропродолжают работы авторов по исследованию данного нов [6,7]. Бомбардировка электронами проводилась на материала, облученного быстрыми нейтронами и проускорителе ЭЛУ-4 при температурах вблизи 295 K тонами [3,4]. Впервые изучено влияние электронного при следующих условиях: энергия частиц Ee 2 МэВ, ¶ плотность тока j (5-9) · 10-6 А/см2, длительность E-mail: brubnyi@ic.tsu.ru ¶¶ E-mail: fci@meteo.ru импульса электронов 4.5 · 10-6 с, частота следования 410 В.Н. Брудный, С.Н. Гриняев, Н.Г. Колин Таблица 1. Электрофизические параметры образцов InAs до (0) и после облучения (D) электронами Образец Легирование RH(0), см3/Кл RH(D), см3/Кл (0), Ом-1· см-1 (D), Ом-1· см-1 F(0), эВ F(D), эВ 1 Нелегированный -284 -2.5 88.8 1560 0.31 0.2 Sn -312 -2.7 70.5 1425 0.31 0.3 Sn + Sb ( 1018 см-3) -78 -2.6 241 1311 0.34 0.4 Te -56 -2.0 314 1350 0.36 0.5 Sn -8.9 -2.6 1541 1307 0.46 0.6 Te -6.1 -2.3 2017 1435 0.45 0.7 ЯЛ (800C, 20C) -6.2 -2.0 1938 1525 0.45 0.8 ЯЛ (900C, 20C) -5.2 -2.4 2283 1208 0.46 0.9 Te -2.2 -2.4 4227 1237 0.53 0.10 Zn +1.9 -3.9 63.2 718 0.03 0.11 Zn +6.2 -2.5 22.6 1040 0.06 0.12 Zn +80 -2.1 2.56 1050 0.12 0.13 Zn +300 -2.3 0.83 1348 0.16 0.Примечание. Энергия электронов Ee 2 МэВ, интегральный поток D = 1 · 1019 см-2, температура отжига Tann 20C, температура измерений T = 295 K. Отсчет энергии уровня Ферми осуществляется относительно потолка валентной зоны (уровня ). — проводимость.

8V импульсов 250 Гц. При этом максимальный интеграль- (рис. 2). При этом эффективность влияния радиациный поток облучения составлял D = 1 · 1019 см-2, что онных дефектов донорного типа на электрофизические почти на порядок превышает соответствующие величи- свойства InAs уменьшается как с ростом концентрации ны в известных до настоящего времени экспериментах свободных электронов в исходном материале, так и для InAs. Толщина образцов для электронного облу- по мере облучения материала. В условиях „сильночения составляла (0.6-0.8) мм. Для предотвращения го“ облучения InAs, когда концентрация РД превосхоразогрева образцы во время облучения продувались дит концентрацию исходных легирующих химических газообразным азотом. Перед измерениями облученный примесей, достигаются предельные значения плотности материал выдерживался от одной до нескольких недель.

свободных электронов nlim (2-3) · 1018 см-3 и имеет Изохронный отжиг (в течение 10 мин) материала при место закрепление уровня Ферми вблизи предельнотемпературах до Tann = 400C проводился в вакууме, а при Tann > 450C при равновесном давлении паров As.

Расчет электрофизических параметров проводился в трехзонном приближении с учетом непараболичности зоны проводимости. При численных оценках использованы следующие параметры материала: ширина запрещенной зоны Eg(T ) =[0.426 - T2/(93 + T)] эВ, = 3.158 · 10-4 эВ/K, температура T входит в K, эффективные массы вблизи краев зон для электронов mn/m0 = 0.0245 и для дырок mp/m0 = 0.6, спин-орбитальное расщепление = 0.38 эВ [8], отношение поsдвижности электронов и дырок µn/µp = 80.

3. Электрофизические измерения На рис. 1 показано изменение постоянной Холла RH (при температуре T = 77 K) при электронном облучении (Ee 2МэВ) для образцов InAs, представленных в табл. 1. Результаты этих исследований показывают, что электронная бомбардировка всегда приводит к формированию n+-InAs и к смещению уровня Ферми F в область разрешенных энергий зоны проводимости (рис. 1, табл. 1). Характер изменения температурных Рис. 1. Изменение коэффициента Холла |RH| в InAs при зависимостей RH в образцах n- и p-типа проводимости электронном облучении. Энергия электронов 2МэВ, темв результате облучения также указывает на переход пература измерения T = 77 K. Номера кривых соответствуют InAs в вырожденное состояние n+-типа проводимости номерам образцов в табл. 1. Указан тип проводимости.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Электрофизические и оптические свойства InAs, облученного электронами ( 2 МэВ)... ми электронами (здесь n D). На рис. 3 (штриховые кривые) также представлены расчетные значения µH(n) для 295 и 77 K в случае рассеяния свободных электронов на примесях при отсутствии компенсации с учетом непараболичности зоны проводимости InAs [9].

Из этих данных следует, что в области больших доз, когда n(D) > 1018 см-3, наблюдается катастрофическое уменьшение µH(n) при незначительном изменении концентрации свободных электронов. При этом наиболее существенный эффект имеет место в области n nlim, когда концентрация свободных электронов при облучении уже практически не изменяется, а радиационные дефекты продолжают вводиться в решетку кристалла.

На этом же рис. 3 представлены значения µH(n) для материала n-InAs (образец 1) в случае его облучения протонами (энергия 10 МэВ) до максимальных потоков Dmax = 2 · 1016 см-2, из которых следует качественно подобные, хотя и более сильные изменения µH(n) по сравнению с наблюдаемыми в случае электронной бомбардировки. Для максимальных интегральных потоков электронов (D = 1019 см-2) и протонов (D = 2 · 1016 см-2) величина µH уменьшается по сравнению с расчетными Рис. 2. Температурные зависимости коэффициента Холзначениями в 1.5 и 3 раза соответственно, а сами ла |RH| в образцах InAs: (1, 2) — образец 1; (3, 4) —образначения µH близки к соответствующим величинам для зец 12; (5-7) — образец 11. (1, 3, 5) — до облучеInAs, легированного в процессе выращивания водородония; (2, 4, 6, 7) — после облучения электронами с энергией подобными примесями до уровня (2-3) · 1019 см-3 [6].

2МэВ: 6 — D = 9 · 1017 см-2, (2, 4, 7) — D = 1 · 1019 см-2.

Указан тип проводимости.

го положения Flim EV +(0.52-0.55) эВ для интервала температур T = 77-295 K во всех исследованных в работе материалах. Эти эксперименты показывают, что эффективности вводимых при облучении доноров и акцепторов определяются положением уровня Ферми исследуемого InAs относительно его предельного положения Flim в облученном материале. В целом изменение электрофизических свойств InAs при электронном облучении качественно подобно соответствующим данным при его бомбардировке быстрыми нейтронами или протонами [3,4]. Это говорит о том, что электрофизические свойства облученного InAs инвариантны по отношению к типу радиационных нарушений кристаллической решетки, они близки как для точечных дефектов при бомбардировке электронами, так и для дефектов кластерного типа при облучении быстрыми нейтронами.

В условиях облучения кристаллов InAs до больших интегральных потоков электронов характерно существенное снижение холловской подвижности µH = |RH| по сравнению с материалом, легированным водородоподобными примесями в расплаве до таких же значений Рис. 3. Зависимость холловской подвижности электроконцентрации свободных электронов. На рис. 3 преднов µH = |RH | от их концентрации n (n D) для исходного ставлены изменения µH при 77 и 295 K в специально не n-InAs (образец 1) при облучении электронами с энергией легированном материале (n-InAs, образец 1) с исходной 2МэВ (1, 3) и протонами с энергией 10 МэВ (2, 4) для степенью компенсации K (0.10-0.15) в зависимости T = 295 и 77 K. Штриховые кривые — расчет µH(n) в случае от концентрации свободных электронов n, задаваемой рассеяния свободных электронов на ионах примеси в отсутпутем бомбардировки кристалла высокоэнергетически- ствие компенсации [9].

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 412 В.Н. Брудный, С.Н. Гриняев, Н.Г. Колин 5. Обсуждение экспериментальных данных В отличие от других полупроводников группы III-V, в которых при радиационном воздействии уровень Ферми сдвигается в запрещенную зону, в облученном InAs уровень Ферми всегда закрепляется в области разрешенных энергий зоны проводимости. Поэтому данный материал выступал как тестовый для проверки соответствующих теоретических моделей закрепления уровня Ферми в дефектных полупроводниках. Согласно моделям закрепления уровня Ферми, предельное положение Flim в облученном полупроводнике может быть отождествлено с положением „нейтральной“ точки кристалла (точки ветвления комплексной зонной структуры), вблизи которой происходит смена донорно-акцепторного характера дефектных (щелевых) состояний полупроводника. Эта точка рассчитывается как положение уровня зарядовой (локальной) нейтральности для дефектных состояний кристалла [10,11] либо как энергетическое положение наиболее локализованного (наиболее глубокого) дефектного состояния данного полупроводника в энергетичеРис. 4. Спектры коэффициента оптического поглощения ском интервале вблизи запрещенной зоны [12]. Моn-InAs (образец 1), облученного электронами с энергией дельные оценки этих величин для InAs, приведенные 2 МэВ интегральными потоками D, 1019 см-2: 1 — 0, в работе [4], дают EV +(0.50-0.55) эВ, что в целом 2 —0.01, 3 —0.1, 4 — 1. Температура измерения 295 K.

хорошо соответствует экспериментальным результатам настоящего исследования (табл. 1) и данным предыдущих работ для нейтронного и протонного облучения 4. Спектры оптического поглощения InAs [3,4].

В условиях закрепления уровня Ферми облученный На рис. 4 показано изменение спектров коэффициента полупроводник рассматривается как материал, в котооптического поглощения (h) специально не легирором концентрация связанного на РД заряда существенванного n-InAs (образец 1) при электронной бомбардино выше концентрации свободных носителей, т. е. как ровке. Основные особенности наблюдаемых изменений полупроводник с „низкой“ концентрацией свободных в оптическом спектре — появление на кривых (h) электронов (дырок). Это предположение выглядит обосдлинноволнового „примесного“ поглощения, сдвиг конованным для материалов, в которых уровень Ферми ротковолновой области спектра в сторону меньших после облучения стабилизируется глубоко в запрещендлин волн (больших энергий фотонов h) и изменение ной зоне, прежде всего для полупроводников с „широнаклона кривых (h) в этой области по мере рокой“ запрещенной зоной — Si, GaAs, GaP, SiC и др., ста интегрального потока бомбардирующих электронов.

поскольку значения предельной концентрации носитеХарактер изменения спектров поглощения для длинлей nlim(plim) в этом случае по порядку величины близки новолновой и коротковолновой областей в результате к собственным значениям концентрации свободных элекэлектронного облучения показан стрелками на рис. 4.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.