WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 9 Пробой мелких доноров в Si и Ge на диэлектрической стороне деформационно-индуцируемого перехода металл–диэлектрик © С.И. Будзуляк¶, Е.Ф. Венгер, Ю.П. Доценко, В.Н. Ермаков, В.В. Коломоец, В.Ф. Мачулин, Л.И. Панасюк Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина (Получена 16 августа 1999 г. Принята к печати 21 декабря 1999 г.) Исследована ударная ионизация локализованных состояний электрона на диэлектрической стороне деформационно-индуцируемого перехода металл–диэлектрик в кристаллах Si(P) иGe(Sb) при концентрациях доноров, значительно превышающих критическую концентрацию перехода, реализуемого за счет изменения концентрации примеси. Получены зависимости энергии активации и поля ударной ионизации от одноосного давления. Переход от металлической проводимости к 2-проводимости в области больших одноосных давлений обсуждается на основе перестройки энергетического спектра зоны проводимости при определенных направлениях оси деформации в кристаллах кремния и германия.

1. Введение ся характером перестройки зонного спектра в n-Si и в n-Ge при указанных ориентациях оси деформаДеформационно-индуцируемый переход от активаци- ции, в обоих случаях в области сильных одноосных онной проводимости к металлической реализован при давлений достигается переход от металлической пропроизвольной ориентации оси деформации в слабо ди- водимости к активационной. Очевидно, закономерноэлектрических образцах n-Si(P) в области температур сти деформационно-индуцируемого перехода МД должT = 3-35 мК и одноосных давлениях до 0.8 ГПа [1].

ны существенно различаться для двух монокристалЭтот переход обусловлен главным образом механизмом лических сильно легированных полупроводников n-Si изменения с деформацией долинно-орбитального рас- и n-Ge. С другой стороны, поскольку деформационнощепления. Параметры зоны проводимости при этом не индуцируемый переход МД связан в обоих случаях с изменяются.

увеличением эффективной массы электрона m и его e Переход металл–диэлектрик в вырожденных кристал- локализацией на примесном центре, должны иметь место лах n-Si и n-Ge [2] был получен за счет существенного и общие характерные особенности перехода от металлиизменения параметров зоны проводимости вследствие ческой проводимости к активационной при возрастании трансформации энергетического спектра при определен- одноосного давления X: появление и возрастание энерных ориентациях оси деформации (оси давления X) [3]. гии активации a, которая для рассматриваемых условий Как в кремнии (при X [111]), так и в германии идентифицируется с 2-проводимостью [2], трансформа(при X [001]) деформационная перестройка энергети- ция линейных вольт-амперных характеристик (ВАХ) в ческого спектра зоны проводимости приводит к суще- S-образные, переход от слабой локализации электрона ственному увеличению эффективной массы электронов, на примесном центре к его сильной локализации и уменьшению боровского радиуса и локализации электро- другие.

на на примесном атоме. В кремнии при X [111] вслед- Рассмотрению указанных особенностей деформаствие деформационной непараболичности -долин [4] ционно-индуцируемого перехода МД в сильно легирозаметно увеличивается поперечная компонента эффек- ванных кристаллах n-Si(P) и n-Ge(Sb), обусловленного тивной массы электрона в области больших одноосных перестройкой энергетического спектра зоны проводимодавлений. В германии при X [001] и величинах давле- сти в области сильных одноосных давлений X, посвящена ния X > 2.1 ГПа достигается инверсия типа абсолютного данная работа.

минимума (L--инверсия), вследствие чего увеличивается эффективная масса электронов, что приводит, 2. Эксперимент и обсуждение в частности, примерно к четырехкратному увеличению полученных результатов энергии ионизации мелких примесей (Sb, P, As) [3] в чистых кристаллах, а в сильно легированных кристаллах — Исследование деформационно-индуцируемого перехок существенному уменьшению боровского радиуса и да МД проводилось на образцах кремния, легированных локализации электрона на примесном центре.

фосфором в области концентрации NP = (4.2-6.2) Таким образом, несмотря на различную природу де 1018 см-3, и двух кристаллах германия, легироформационно-индуцируемого перехода металл–диэлектванных сурьмой в концентрации NSb = 1.8 · 1017 и рик (МД), определяемую принципиально различающим3.26 · 1017 см-3. Измерены зависимости удельного со¶ противления кристаллов (X)/(0) от одноосного даFax: (044) 265–63–E-mail: korbutyak@div47.semicond.kiev.ua вления X при T = 4.2 K, вольт-амперные характери1064 С.И. Будзуляк, Е.Ф. Венгер, Ю.П. Доценко, В.Н. Ермаков, В.В. Коломоец, В.Ф. Мачулин, Л.И. Панасюк стики в области перехода МД в импульсном режиме, температурные зависимости удельного сопротивления кристаллов в диапазоне температур T = 4.2-50 K при различных значениях одноосного давления X. Получены зависимости энергии активации a от давления X и зависимости поля ударной ионизации от X.

Существенное увеличение удельного сопротивления кристаллов в n-Ge(Sb) при T = 4.2 K и одноосных давления X, приводящее с ростом X к переходу МД, а также появление и увеличение наклона температурных зависимостей удельного сопротивления (рис. 1) свидетельствует о появлении и увеличении энергии активации проводимости (2-проводимость) вследствие инверсии типа абсолютного минимума зоны проводимости германия при X [001] (L--инверсия), сопровождающейся Рис. 1. Удельное сопротивление кристаллов n-Ge(Sb) в значительным увеличением эффективной массы электрозависимости от обратной температуры для разных значений нов [5]. При этом, в случае локализации электрона на воодноосного давления X, ГПа: 1 —0, 2 — 10, 3 — 17, 4 — 18, дороподобной примеси, будет существенно уменьшаться 5 — 19, 6 — 20, 7 — 21. NSb = 1.8 · 1017 см-3.

его боровский радиус (aB = h2/me2), что должно приe водить при неизменном уровне легирования к переходу от металлического типа проводимости, характерного для вырожденных (при X = 0) кристаллов, к активационной проводимости в области X > 2ГПа.

С локализацией электрона на диэлектрической стороне деформационно-индуцируемого перехода МД связано появление и увеличение энергии активации при возрастании одноосного давления X (X [111] в nSi и X [001] в n-Ge) (рис. 2). Видно, что характер приведенных зависимостей a = f (X) существенно различается для n-Si и n-Ge, что связано с различными закономерностями перестройки зоны проводимости в кремнии (деформационно-индуцируемая непараболичность -долин) и в германии (L--инверсия Рис. 2. Зависимость энергии активации от одноосного датипа абсолютного минимума). Однако как в n-Si, так и вления X для кристаллов n-Ge (1, 2) и n-Si (3, 4) в области в n-Ge с увеличением концентрации легирующей примедеформационно-индуцированного перехода МД. Концентрации си область сильной локализации электрона смещается в примеси в n-Ge NSb = 1.8 · 1017 (1) и 3.26 · 1017 см-3 (2), в область более высоких значений X.

n-Si NP = 4.7 · 1018 (3) и 6.3 · 1018 см-3 (4).

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики I (U) кристаллов Рис. 4. Зависимости поля ударной ионизации локализованных n-Si(P), измеренные в импульсном режиме при T = 4.2K состояний мелких доноров Ebr от одноосного давления X для для различных значений одноосного давления X, ГПа: 1 —0, Ge(Sb) с NSb = 1.8 · 1017 см-3 (1) и Si(P) с NP = 4.2 · 1018 (2), 2 —2.7, 3 —2.8, 4 —2.9, 5 —3.0, 6 —3.1. NP = 4.7·1018 см-3.

6.2 · 1018 см-3 (3).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Пробой мелких доноров в Si и Ge на диэлектрической стороне деформационно-индуцируемого... Набор вольт-амперных характеристик при различ- [7] Г.Л. Бир, Г.Е. Пикус. Симметрия и деформационные ных значениях X, характеризующий деформационно- эффекты в полупроводниках (М., 1972).

[8] C. Yamanouchi, K. Mizuguchi, W. Sasaki. J. Phys. Soc. Japan, индуцируемый переход МД, представлен на рис. 3 для 22, 859 (1967).

кристаллов n-Si с концентрацией фосфора NP = 4.[9] P. Dai, Y. Zhang, M.P. Sarachik. Phys. Rev. B, 45, 3984 (1992).

1018 см-3. Линейные ВАХ в области малых значений X трансформируются в нелинейные S-образные ВАХ в Редактор Л.В. Шаронова области больших одноосных давлений (X > 2.7ГПа).

Ударная ионизация локализованных состояний элекBreakdown of shallow donors in Si and Ge трона на примесном атоме характеризуется (как следует on the insulating side of strain-induced из ВАХ) как линейной (рис. 4, кривая 1), так и нелиmetal–insulator transition нейной (рис. 4, кривые 2, 3) зависимостью поля ударной ионизации Ebr от одноосного давления X. S.I. Budzulyak, J.P. Dotsenko, V.N. Ermakov, Полученные данные об энергии активации a, которая V.V. Kolomoets, V.F. Machulin, L.I. Panasyuk, возрастает с увеличением X до значений a 3мэВ E.F. Venger (рис. 2), S-образный характер ВАХ в области больших Institute of Semiconductor Physics, одноосных давлений X (рис. 3), вид температурных National Academy of Sciences of Ukraine, зависимостей удельного сопротивления при разных зна252650 Kiev, Ukraine чениях X (рис. 1) свидетельствуют о деформационноиндуцируемом переходе от металлической проводимости

Abstract

Impact ionization of electron localized states on the к 2-проводимости в кристаллах с концентрациями мелinsulating side of strain-induced metall–insulator transition in Si(P) ких примесей, существенно превышающих критическую, and Ge(Sb) crystals has been investigated for donor concentraпри которой осуществляется переход МД, связанный с tion essentially exceeding the critical transition concentration in изменением концентрации [6,7–9].

unstrained crystals. Dependences of the activation energies and the impact ionization fields on the uniaxial pessure are obtained.

Transition from the metallic type conductivity to 2-conductivity in 3. Заключение the hight uniaxial pressure region was analyzed on the basis of the В области концентраций мелких доноров, существенно transformation conduction band structure under a certain direction превышающих критические концентрации перехода МД of the deformation axis in silicon and germanium crystals.

в кристаллах n-Si(P) и n-Ge(Sb), изучены закономерности деформационно-индуцируемого перехода от металлической проводимости к активационной проводимости. Совокупность экспериментальных данных — зависимость удельного сопротивления от одноосного давления X, S-образный вид вольт-амперных характеристик, температурные зависимости удельного сопротивления при разных значениях X, зависимости энергии активации от X, зависимости поля ударной ионизации от X — свидетельствуют о реализации в вырожденных кристаллах n-Si(P) и n-Ge(Sb) перехода в области высоких одноосных давлений X к 2-проводимости.

Список литературы [1] M.A. Paalanen, T.F. Rosenbaum, G.A. Thomas, R.N. Bhatt.

Phys. Rev. Lett., 48, 1284 (1982).

[2] V.V. Baidakov, V.N. Ermakov, A.E. Gorin, V.V. Kolomoets, N.V. Stuchinska, V.A. Shenderovskii, D.P. Tunstall. Phys. St.

Sol. (b), 198, 149 (1996).

[3] V.N. Ermakov, V.V. Kolomoets, L.T. Panasjuk, V.E. Rodionov.

Proc. 20th Int. Conf. Phys. Semicond. (Thessaloniki, 1990) v. 3, p. 1803.

[4] P.I. Baranskii, V.V. Kolomoets, S.S. Korolyuk. Phys. St. Sol. (b), 116, K109 (1983).

[5] В.В. Байдаков, Н.Н. Григорьев, В.Н. Ермаков, В.В. Коломоец, Т.А. Кудыкина. ФТП, 17, 370 (1983).

[6] T.F. Rosenbaum, K. Andres, G.A. Thomas, R.N. Bhatt. Phys.

Rev. Lett., 45, 1723 (1980).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып.




© 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.