WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 5 Влияние отжига на дислокационную электропроводность германия ¶ © С.А. Шевченко Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 16 ноября 1999 г. Принята к печати 25 ноября 1999 г.) Монокристаллы германия n-типа с концентрацией доноров 3 · 1012 см-3 деформировались при 760C до степеней 71% со скоростью 6 · 10-3 с-1, охлаждались до комнатной температуры, а затем отжигались при 900C в течение t 20 ч. Низкотемпературная статическая электропроводность дырок, захваченных на дислокации, по разветвленной дислокационной системе, измерялась до и после отжига деформированных образцов. Было обнаружено, что отжиг способствует увеличению дислокационной электропроводности в образцах с < 50% и уменьшению в образцах с > 60%. Избирательное травление и рентгенодифракционный анализ показали, что основным структурным отличием образцов с > 60% является присутствие рекристаллизованных областей. Влияние отжига на дислокационную электропроводность объясняется увеличением связности дислокационной системы при < 50% и ее уменьшением при >60%.

Введение нии при T < 30 K статическая электропроводность вдоль изолированных 60 дислокаций длиной более 0.1 мм Поиск и изучение объектов, демонстрирующих одно- весьма низка и в экспериментах не детектировалась [1,7].

мерные электронные свойства и высокую электропро- Статическая дислокационная электропроводность водность, представляют несомненный теоретический и (ДЭ) может появиться в разветвленной системе практический интерес. дислокаций с многочисленными пересечениями, которые Движение носителей тока, захваченных в ядра дисло- способствуют разрушению одномерной локализации каций, под воздействием электрического поля проявля- носителей тока и делают возможным перенос заряда на макроскопические расстояния [8]. Такая система ется при низких температурах в виде специфической формируется, например, при высокотемпературной электропроводности — в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне в германии и кремнии [1,2] и на постоян- пластической деформации германия до больших степеней. Дислокации расположены в основном ном токе — в пластически сильно деформированном на границах ячеек (блоков) в виде двумерных сеток, германии [3,4]. Анизотропная дислокационная СВЧ составленных из сегментов винтовых и 60 дислокаций электропроводность при T < 30 K в образцах германия длиной 0.1мкм [4,9–11]. Согласно [4,12], в слабо с относительно небольшой (ND < 2 107 см-2) плотлегированном германии n- и p-типов ДЭ возникает поностью 60 дислокаций связывается с движением дырок роговым образом при достижении некоторого значения (уровень Ферми в донорной дислокационной зоне E1) 0, при котором дислокационные сегменты оказываются или электронов (уровень Ферми в акцепторной дислосвязанными в единую макроскопическую сеть, и кационной зоне E2) вдоль прямолинейных дислокацивозрастает при дальнейшем увеличении. При значении онных сегментов длиной порядка 10 мкм [4,5]. Радиус > 0 активационный характер зависимости ДЭ от волновой функции дырочных состояний в поперечном температуры исчезает и в очень широком (0.01-40 K) направлении в зоне E1, расположенной в германии интервале температур она может быть описана на расстоянии 0.1 эВ выше потолка валентной зоны y зависимостью (T ) T. Значения y, определенные Ev, составляет 1 нм, т. е. проводящая область такого из различных экспериментов, находятся в интервале радиуса и длиной более 0.1 мкм представляет собой 0.08-1.5 и уменьшаются с ростом [4,11,12]. При квазиодномерную квантовую проволочку. Согласно [6], в y < 0.2 в области ДЭ становится измеримой эдс Холла, одномерных металлах при T = 0 K рассеяние носителей знак которой соответствует проводимости дырочного тока на дефектах способствует их пространственной типа [4]. Такая эволюция специфики ДЭ при увеличении локализации и, как следствие, экспоненциальному умень связывается с переходом диэлектрик–металл, шению статической электропроводности при увеличении осуществленным пластической деформацией [11,12].

длины проводника. Электроны или дырки, движущиеБольшое различие значений 0, и y, полученных ся по узкой дислокационной трубке, рассеиваются на в [4] и [12], может отражать разный примесный состав перегибах, ступеньках и других дефектах, нарушающих исходных монокристаллов или изменение самой дислотрансляционную симметрию вдоль ядер дислокаций в рекационной системы при различных условиях приготоальных кристаллах, т. е. длина продольной локализации вления деформированных образцов. Вопрос о влиянии носителей тока в ядрах дислокаций оказывается намного легирующих и остаточных технологических примесей на меньше длины отдельной дислокации. Поэтому в гермафизические свойства деформированных кристаллов все¶ гда обсуждается при изучении специфических свойств, Fax: 8(096) E-mail: shevchen@issp.ac.ru обусловленных собственно дислокациями. В [11] были 544 С.А. Шевченко приведены аргументы против существенного влияния примесей на ДЭ в слабо легированных образцах германия. Там же было показано, что при фиксированной степени деформации величина статической электропроводности, связанной с движением электронов по разветвленной системе квазиодномерных дислокационных сегментов, существенным образом зависит от геометрии деформируемых кристаллов германия и высокотемпературного отжига этих кристаллов после прекращения деформации. Эта зависимость объяснялась изменением степени связности дислокационной системы.

В настоящей работе исследовано влияние высокотемпературного отжига кристаллов германия, деформированных с большой скоростью, на величину и характер температурной зависимости ДЭ, связанной с движением дырок.

Рис. 1. Температурная зависимость дислокационной электроРезультаты эксперимента проводности в деформированном образце 1 ( = 43%) после деформации (d) и отжига при 900C в течение 5 (a1), 12 (a2) Исследования проводились на чистых монокристаллах и 20 (a3) ч.

германия n-типа марки ГСД-2а с разностной концентрацией мелких химических доноров Nd = 3 · 1012 см-3 и плотностью ростовых дислокаций менее 10 см-2. Параллелепипеды размером 1052.5мм3, ориентированные вдоль кристаллографических направлений [011], [100] и [001], деформировались сжатием при температуре Td = 760C вдоль направления [100] в динамическом режиме со скоростью v = 6 · 10-3 с-1 до степеней = 20-71%. Деформированные кристаллы охлаждались вместе с камерой для деформации до комнатной температуры и из них вырезались образцы для электрических исследований. Эти образцы отжигались в вакууме 10-3 Па при T0 = 900C (температура плавления германия равна Tm = 937C) в течение 5 t 20 ч.

Детальное описание методик приготовления образцов и измерения электрических характеристик приведено в [4].

Согласно [13], после пластической деформации и отжига деформационных дефектов [14] образцы германия n-типа с Nd = 3 · 1012 см-3 и плотностью введенных Рис. 2. Температурная зависимость дислокационной электродислокаций ND > 5 106 см-2 изменяют тип проводипроводности в деформированном образце 2 ( = 62%) после мости на дырочный. Проводимость образцов с >20% деформации (d) и отжига при 900C в течение 20 ч (a1).

(ND > 109 см-2) при T > 50 K обусловлена свободными дырками в валентной зоне, концентрация которых экспоненциально уменьшается при понижении температуры.

образцов p-типа с разностной концентрацией мелких Это способствует проявлению при T < 30 K статической химических акцепторов Na = 1·1012 см-3 взяты из [4]. Из ДЭ, связанной с движением дырок, захваченных на рис. 1–4 следует, что после деформации с большой скодислокации [4].

y ростью закон (T ) T и пороговый характер кривой На рис. 1–3 приведена температурная зависимость ДЭ в трех быстро (v = 6·10-3 с-1) деформированных образ- 4.2() сохраняются, но для фиксированных значений величины 4.2 существенно уменьшаются.

цах германия, до и после отжига разной длительностью при 900C. В неотожженных образцах с = 43, 62 Из рис. 1–4 следует также, что последующий отжиг и 71% ДЭ уменьшается при понижении температуры деформированных образцов при T0 = 900C длительноy по закону (T ) T со значениями y = 0.49, 0.25 стью до 20 ч способствует изменению величины ДЭ — и 0.36 соответственно. Данные, представленные на рис. 4, увеличению в образцах с < 50% и уменьшению в позволяют сравнить значения ДЭ при 4.2K (4.2) в образцах с > 60%. В образцах с < 50% после y быстро и медленно (v = 3 · 10-5 с-1) деформированных отжига закон (T ) T сохраняется, но значение y образцах. Значения 4.2 для медленно деформированных уменьшается (как например в образце 1 с = 43% Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Влияние отжига на дислокационную электропроводность германия кривые a1 и a2 для образца 3 ( = 71%) не могут быть описаны степенным законом, т. е. высокотемпературный отжиг этого образца приводит к изменению характера зависимости (T ). Предварительные исследования показали, что подобный отжиг медленно деформированного до = 39% образца n-типа (рис. 4) не привел к уменьшению ДЭ.

Для выяснения причины различного влияния отжига при 900C на ДЭ образцов с < 50% и > 60% были проведены дополнительные исследования. Обработка поверхности, параллельной основной плоскости скольжения {111}, в травителе Билика [15] позволила выявить структурные различия образцов с < 50% и > 60%. На поверхности образцов с < 50% (до и после отжига) в оптическом микроскопе видны чередующиеся темные и светлые области размером в 1-20 мкм. Темные области — это дислокационные двумерные границы ячеек (структура границ разрешается Рис. 3. Температурная зависимость дислокационной электрометодом просвечивающей электронной микроскопии), а проводности в деформированном образце 3 ( = 71%) после светлые области — это ячейки, в которых плотность деформации (d) и отжига при 900C в течение 12 (a1) и дислокаций значительно меньше, чем в границах. Подоб20 (a2) ч.

ная картина травления наблюдалась ранее в пластически сильно деформированных кремнии [10] и германии [11].

При увеличении до 71% размер ячеек уменьшается почти до 1 мкм, и они плохо разрешаются в оптическом микроскопе. После деформации образца 3 ( = 71%) на более или менее однородном фоне, который соответствует ячеистой структуре, были обнаружены светлые, слегка вытянутые участки длиной 20-40 мкм, расстояние между которыми превышало 50 мкм. Отжиг при 900C способствует разрастанию этих областей и после 20 ч отжига на поверхности имеется несколько светлых участков длиной более 0.1 мм (рис. 5). В верхней части рис. 5 видны ячейки размером 2-10 мкм. В образце 2 ( = 62%) отдельные светлые области длиной 30 мкм были обнаружены только после 20-часового отжига при 900C. В образцах с <50% такие области не были обнаружены ни после деформации, ни после отжига при 900C в течение 20 ч. Многочисленные результаты [16,17] экспериментального изучения влияния Рис. 4. Дислокационная электропроводность при 4.2 K в отжига на дефектную структуру пластически сильно образцах германия n-типа после деформации со скоростью деформированных при Td < 0.4Tm гранецентрированных v = 6 · 10-3 с-1 до различных степеней (d) и последующего кубических (гцк) металлов (Al, Cu и Ni) показали, что отжига при 900C в течение 12 (a1) и 20 (a2) ч; в образце из отжиг при T0 > 0.6Tm приводит к появлению областей того же слитка после деформации со скоростью v = 3·10-5 с-с более совершенной (по сравнению с деформированной до = 39% (dn); в образцах германия p-типа, деформированматрицей) кристаллической структурой, так называемых ных со скоростью v = 3 · 10-5 с-1, по данным [4] (ds). Образец рекристаллизованных зерен. Такие зерна могут формиdna после снятия нагрузки отжигался в камере для деформации роваться и в процессе пластической деформации. Попри 900C в течение 1 ч.

скольку механизмы пластической деформации и отжига в этих металлах и в ковалентных полупроводниках имеют много общих черт [18,19], весьма вероятно, что светлые на рис. 1). В образцах с = 43-46% после отжига области в образце 3 представляют собой рекристаллизовеличины 4.2 возрастают до значений, близких к тако- ванные зерна.

вым в медленно деформированных образцах (рис. 4). В Предположение о наличии рекристаллизованных облаобразце 2 ( = 62%) закон (T ) Ty выполняется до стей в образце 3 ( = 71%) после отжига при 900C и после отжига в течение 20 ч (рис. 2), но после отжига подтверждается результатами рентгенодифракционного ДЭ уменьшается, а значение y возрастает до 0.62. Из анализа. На обратной рентгенограмме (рис. 6), полученрис. 3 следует, что в интервале температур 4.2-30 K ной методом Лауэ (Cu K-излучение) после отжига при 3 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 546 С.А. Шевченко расположенные отдельные точечные рефлексы на рис. соответствуют отражению рентгеновского излучения от плоскости {100} в одном из наиболее крупных монокристаллических зерен, выросших в процессе отжига.

Расположение отдельных точечных рефлексов на рентгенограммах, снятых в других местах этого образца, отличается от приведенного на рис. 6. Это связано с изменением ориентации и количества выросших зерен в этих местах. В образцах с <50% точечные рефлексы не наблюдались ни после деформации, ни после отжига при 900C (t = 20 ч).

Таким образом, уменьшение величины и изменение характера температурной зависимости ДЭ в образце ( = 71%) после отжига при 900C коррелирует с увеличением площади рекристаллизованных зерен.

Рис. 5. Изображение поверхности {111} в оптическом микроОбсуждение скопе для образца 3 после отжига при 900C (t = 20 ч).

Согласно [4,11], в медленно деформированных образцах германия ДЭ не зависит от типа и концентрации легирующих примесей в исходных образцах при Na, Nd < 1016 см-3. Хорошо известно, что в германии и кремнии остаточные технологические примеси (кислород, углерод, медь и другие) принимают активное участие в образовании различных комплексов и преципитатов. Электрически активными дефектами, образующимися при пластической деформации германия, являются атомы замещающей меди и более сложные комплексы, содержащие атомы меди и кислорода, но они исчезают после кратковременного отжига при 700C вследствие преципитации меди [13,14]. Это дает основание считать, что в пластически сильно деформированных образцах при T < 300 K остаточные примеси находятся в основном в связанном состоянии в виде Рис. 6. Обратная рентгенограмма для образца 3 после отжига преципитатов, концентрация которых намного меньше при 900C (t = 20 ч).

Pages:     || 2 |



© 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.