WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Электрофизические свойства и предельное положение уровня Ферми в InSb, облученном протонами ¶ ¶¶ © В.Н. Брудный, В.М. Бойко, И.В. Каменская, Н.Г. Колин Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, 634050 Томск, Россия ФГУП Научно-исследовательский физико-технический институт им. Л.Я. Карпова, 249033 Обнинск, Россия (Получена 11 ноября 2003 г. Принята к печати 27 ноября 2003 г.) Представлены результаты экспериментальных и модельных исследований электрофизических параметров и предельного положения уровня Ферми в металлургически и ядерно легированном InSb, облученном ионами водорода (10 МэВ, 2 · 1016 см-2, 300 K). Показано, что предельные электрофизические параметры облученного InSb соответствуют материалу p-типа проводимости. В интервале температур 20-500C исследованы особенности отжига радиационных дефектов.

1. Введение 2. Методика эксперимента Протонное облучение применяется для изготовления В работе исследовались электрофизические свойства p-n-переходов, высокоомных областей, а также обла- n- и p-InSb (Чохральский) с уровнем исходного легиростей n-типа проводимости в InSb. Кроме того, использо- вания от 1.8 · 1016 см-3 (n-тип) до 3 · 1013 см-3 (p-тип) вание протонных пучков позволяет получить материал с при 77 K, а также образцы ядерно легированного InSb.

высокой плотностью радиационных дефектов (РД), что В качестве материала для получения ЯЛИС использоважно при исследовании физики радиационных нарушевался специально не легированный монокристалличений и оценках так называемых предельных (стационарский InSb (Чохральский) с концентрацией электронов ных) параметров облученного полупроводника, знание n =(1 - 2) · 1014 см-3 (образец 3), n =(7-9) · 1013 см-3 которых необходимо при прогностических оценках пове(образец 4), n 1014 см-3 (образец 5) соответственно.

дения материала в условиях высокоэнергетического раОбразцы ЯЛИС получали путем облучения InSb редиационного воздействия. Исследования радиационных акторными нейтронами в реакторе типа ВВР-ц ФГУП нарушений и их термической стабильности в данном НИФХИ им. Л.Я. Карпова (г. Обнинск). После вылежисоединении важны и при развитии методов ядерного вания такого материала для спада наведенной активно(трансмутационного) легирования InSb.

сти образцы подвергались термообработке при 450C в Уже ранние исследования данного материала покатечение 1 ч.

зали высокую чувствительность его электрофизических Облучение протонами ( j = 5· 10-8 А/см2, E = 10 МэВ, свойств к воздействию протонной бомбардировки. ОдD = 5 · 1012-2 · 1016 см-2) проводилось на циклотроне нако большинство работ было выполнено на тонких ИЯФ ТПУ (г. Томск) при температурах, близких к комслоях, полученных с помощью облучения протонами натным. Для исследований использовались образцы толс энергиями 60–300 кэВ, когда нарушенные области щиной 200 мкм, что меньше среднего проецированноматериала сильно неоднородны по глубине и, кроме го пробега Rp 300мкмпротонов 10МэВв InSbсогластого, существенно влияние поверхности и подложки на но данным послойных измерений [7]. Параметры матеизмеряемые параметры [1–3]. В то же время облучение риалов до и после облучения максимальными потоками высокоэнергетическими 17.5 [4] и 50 МэВ[5] протонами 2 · 1016 см-3 протонов 10 МэВ представлены в таблице 1.

было выполнено при относительно невысоких интеБазовая температура измерений в работе T = 77 K.

гральных потоках частиц (1015 и 7 · 1015 см-2).

Изохронный отжиг ( T = 20C, t = 10 мин) исходВ настоящей работе проведены исследования электроных и облученных образцов InSb в интервале темпефизических свойств и особенностей отжига РД на объемратур 20-500C проводился в вакууме, причем перед ных образцах InSb в условиях высокодозового протоннокаждым измерением образцы травились в виннокислом го облучения. Впервые выполнено исследование влияния травителе 25% C4H6O6: H2O2: HF=18 : 14 : 1 в течение протонного облучения на электрофизические парамет10–15 с.

ры ядерно легированного InSb (ЯЛИС). Известно, что Расчеты RH и в InSb проводились в двухзонном ядерное легирование InSb позволяет получить матеприближении:

риал n-типа проводимости с высокой однородностью электрических свойств по объему материала (несколько RH =(1/q)(p - nb2)/(p + nb)2, %) за счет введения донорных примесей Sn (97.9%) и Te (2.1%), что представляет значительный технический = q(nµn + pµp).

интерес [6].

¶ Здесь b = µn/µp 102 — отношение холловских поE-mail: brudnyi@ic.tsu.ru ¶¶ E-mail: ngkolin@mail.ru.com движностей свободных электронов µn и дырок µp в InSb, Электрофизические свойства и предельное положение уровня Ферми в InSb, облученном протонами Таблица 1. Параметры исходных и облученных протонами D = 2 · 1016 см-2 кристаллов InSb Исходные параметры Параметры после облучения № Материал n, p µH RH µH см-3 Ом · см см2В-1с-1 см3/А · с Ом · см см2В-1с-1 ИСЭ-14 (Te) 1.4 · 1014 8.0 · 10-2 5.58 · 105 4.60 · 105 3.06 · 102 1.50 · 2 ИСЭ-13 (Te) 4.3 · 1014 3.0 · 10-2 4.80 · 105 4.01 · 105 2.88 · 102 1.39 · 3 ЯЛИС-3 (Sn) 1.0 · 1015 2.0 · 10-2 3.12 · 105 3.30 · 105 2.41 · 102 1.37 · 4 ЯЛИС-5 (Sn) 1.2 · 1015 1.68 · 10-2 3.10 · 105 3.40 · 105 2.3 · 102 1.48 · 5 ЯЛИС-4 (Sn) (1.0-1.8) · 1016 5.0 · 10-3 1.25 · 105 2.10 · 105 1.86 · 102 1.13 · 6 ИСД-15 (Zn) 2.97 · 1013 5.54 · 101 3.80 · 103 5.38 · 105 5.15 · 102 1.04 · q — заряд электрона, RH — постоянная Холла, — в результате облучения. Это указывает на то, что во всех удельное сопротивление, остальные обозначения обще- исследованных образцах при потоках протонов, превыприняты. шающих 1014 см-2, имеет место компенсация электронной проводимости и смещение уровня Ферми в направлении валентной зоны. Соответствующие изменения 3. Экспериментальные результаты холловской подвижности носителей заряда µH = RH представлены на рис. 2. Можно отметить, что при Дозовые зависимости постоянной Холла RH выявляют компенсацию исходной электрической активности в исходных образцах n-InSb и p-n-конверсию типа проводимости для исходного p-InSb (рис. 1), что в целом соответствует литературным данным по протонному [4,5] и электронному 1 [8,9] и 50 МэВ [10] облучению InSb вблизи 300 K. На рис. 1 и последующих рисунках белый символ соответствует материалу n-типа проводимости, темный — p-типу. В отличие от литературных данных после участка „насыщения“ на зависимостях RH(D) при протонном облучении наблюдается дальнейшее увеличение значения |RH| до -(6-8) · 105 см3/Кл для потоков D = 1016 см-2 не только в исходном n-InSb, но и в исходном p-InSb, который приобрел n-тип проводимости Рис. 2. Изменение |RH · | в образцах InSb при протонном 10 МэВ облучении.

потоках протонов D > 1014 см-2 значения µH(D) во всех исследованных материалах практически идентичны, т. е.

кинетические свойства облученных образцов целиком определяются протонным облучением РД и не зависят от параметров исходных кристаллов. Эти исследования показывают, что в результате облучения протонами при 300 K в InSb вводятся РД донорного и акцепторного типов, а эффективность их влияния на электрофизические свойства материала зависит от уровня легирования и типа проводимости исследуемого кристалла. При этом в исходном n-InSb более эффективны радиационные акцепРис. 1. Изменение постоянной Холла |RH| в образцах InSb при торы во всем интервале интегральных потоков облучепротонном 10 МэВ облучении. Нумерация кривых на рис. 1–соответствует нумерации образцов табл. 1. ния, а в исходном p-InSb на начальных этапах облучения 3 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 804 В.Н. Брудный, В.М. Бойко, И.В. Каменская, Н.Г. Колин протонами образцах с исходным n-типом проводимости при отжиге в интервале температур 20-500C наблюдается последовательная смена знака постоянной Холла (n-p-p+-конверсия типа проводимости) при температурах: 60-300C — преимущественный отжиг радиационных доноров, 300-400C — отжиг радиационных акцепторов и при 420-460C — интенсивное формирование термоакцепторов (рис. 4). Аналогично в облученном исходном p-InSb наблюдается n-p-p+-конверсия типа проводимости при температурах отжига соответственно:

вблизи 300C — „обратная“ n-p — конверсия типа проводимости, преимущественный отжиг радиационных доноров с последующим увеличением плотности дырок до 5 · 1015 см-3 за счет формирования термоакцепторов при температурах отжига выше 350C. Можно отметить, что с увеличением интегрального потока протонов или с Рис. 3. Зависимость |RH| от температуры изохронного уменьшением исходного уровня легирования материала (10 мин) отжига для исходных кристаллов InSb.

отмечен сдвиг стадий изохронного отжига в область более высоких температур.

4. Обсуждение экспериментальных данных Характерная особенность ранее опубликованных работ по исследованию электрофизических свойств облученного InSb состоит в выявлении участка „насыщения“ на кривых (D) и RH(D) при облучении быстрыми нейтронами при 300 K [12] и 77 K [13], электронами 50 МэВ, 300 K [10], электронами 4.5 МэВ, 80 K [14]. При этом важно отметить, что при бомбардировке быстрыми нейтронами при 77 и 300 K [12,13] и электронами при 300 K [8] получены образцы n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 3 · 1012-6 · 1014 см-3, а при низкотемпературном 7–200 K облучении гамма-квантами и электронами [14–17] — образцы p-типа проводимости с концентрацией свободных дырок 5 · 1013-3 · 1015 см-3. При Рис. 4. Зависимость |RH| от температуры изохронного этом в области „насыщения“ дозовых зависимостей (10 мин) отжига для облученных протонами D = 1 · 1014 см-2, (D) и RH(D) для температур облучения вблизи 80, 10 МэВ кристаллов InSb.

и 300 K оцененные положения уровня Ферми составляли около Ev + 0.03 эВ, Ev + 0.08 эВ и Ec - 0.03 эВ соответственно [9,10,14]. Характерные особенности электрофизических параметров и n-тип проводимости InSb, до доз 6 · 1014 см-2 более эффективны радиационные облученного быстрыми нейтронами или электронами доноры, а при дальнейшем облучении — радиационные высоких энергий 50 МэВ, связывались с накоплением акцепторы, как и в исходных образцах n-InSb. Донорнодефектов кластерного типа, хотя электронная структуакцепторный характер РД в InSb подтверждается и ра таких кластеров в InSb неизвестна до настоящего данными исследований отжига облученного материала.

времени. При этом следует отметить, что образцы На рис. 3 и 4 представлены результаты исследования изохронного отжига исходных и облученных кристал- InSb электронного типа проводимости были получены и при низкоэнергетическом 1 МэВ, 300 K [8] электронном лов InSb соответственно. В необлученных образцах облучении. По мнению большинства исследователей, реn-InSb выявлена компенсация исходной проводимости при Tann 260-300C и n-p-конверсия типа проводи- шающим фактором, определяющим тип накапливаемых мости при Tann = 420-450C. В исходном p-InSb кон- в решетке РД и соответственно свойства облученного центрация дырок растет при температурах отжига выше InSb, является температура Trad, при которой проводится 350C. Эти явления достаточно известны в литературе облучение. В настоящее время данные по спектру РД в и связываются с формированием при высокотемператур- InSb включают состояния с энергетическими уровнями ном нагреве InSb термоакцепторов [11]. В облученных вблизи Ec - 0.03 эВ, EV +(0.03-0.06) эВ и состояния Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Электрофизические свойства и предельное положение уровня Ферми в InSb, облученном протонами минируют РД акцепторного типа, а в исходном p-InSb — донорного. При этом нейтронное облучение всегда формирует материал n-типа проводимости, что можно связать с эффектом ядерного подлегирования материала оловом, NSn 0.2D [19], где D — интегральный f n0 f nпоток быстрых нейтронов. Это, по-видимому, и приводит к уменьшению удельного сопротивления InSb при больших потоках облучения быстрыми нейтронами. На рис. 5 представлена также зависимость (D) в n-InSb, облученном полным спектром реакторных нейтронов (реактор ВВР-ц ФГУП НИФХТИ им. Л.Я. Карпова, г. Обнинск) и отожженном до 450C (20 мин), в котором большая часть примеси олова, NSn 2.9 · Drn0, перешла в электрически активное состояние [6], здесь Drn0 — полный интегральный поток реакторных нейтронов. В отличие от нейтронных пучков, в области больших потоков электронов и протонов величины и RH растут по мере облучения, что указывает на преимущественную эффективность РД акцепторного типа и смещение уровня Ферми в глубь запрещенной зоны во всех исследованных материалах.

Можно отметить, что в предыдущих исследованиях „предельные“ параметры облученного InSb ассоциироРис. 5. Дозовые зависимости удельного сопротивления обвались с появлением участков „насыщения“ на дозоразцов InSb, облученных: 1 [12], 2 [12], 3 [19] — быстрыми ных зависимостях (D) или RH(D). При этом само нейтронами; 4 [6] — полным спектром реакторных нейтронов наличие таких участков „насыщения“ приписывалось и отожженных при 450C в течение 20 мин; 5, 7 — электронаустановлению равновесия между процессами генерации ми 1 МэВ; 6, 8 — протонами 10 МэВ.

и отжига РД при данных условиях облучения. Между тем многочисленные экспериментальные исследования показывают, что в облученных полупроводниках в условблизи середины запрещенной зоны [10,14,15,18]. При виях высокодозного облучения, когда плотность РД преэтом отмечается, что с увеличением температуры обвышает плотность исходных легирующих примесей, вселучения или нагреве образца, облученного при низких гда достигается предельное (стационарное) положение температурах, увеличивается доля дефектов, энергетичеуровня Ферми, далее мы обозначим его FSAT, которое не ские уровни которых расположены в верхней половине зависит от условий облучения, т. е. спектра введенных запрещенной зоны. Предположительно именно с этим и высокоэнергетическим облучением дефектов, и является связывается сдвиг „предельного“ уровня Ферми в InSb в характеристическим („собственным“) параметром кринаправлении зоны проводимости с ростом температуры сталла [20]. Таким образом, в настоящее время вопрос о облучения.

поведении InSb при воздействии высокоэнергетической Однако, как показали последующие исследования радиации и о предельных электрофизических параметInSb, облученного большими интегральными потоками рах (типе проводимости, положении уровня Ферми) быстрых (E > 0.1МэВ) нейтронов [19], а также прооблученного материала остается открытым. Именно тонов и электронов (результаты настоящего исследоэто обусловливает необходимость дальнейших экспевания), выявленная ранее область „насыщения“ для риментальных и теоретических исследований данной кривых (D) или RH(D) вовсе не соответствует предельпроблемы.

ным электрофизическим параметрам облученного InSb.

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.