WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 10 Токи, ограниченные пространственным зарядом, в синтетическом полупроводниковом алмазе © Ю.А. Детчуев, В.А. Крячков, Э.Г. Пель, Н.Г. Санжарлинский Всесоюзный научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья, 601600 Александров, Россия Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук, 142090 Троицк, Россия (Получена 21 февраля 2000 г. Принята к печати 30 марта 2000 г.) Исследованы электрические свойства монокристаллов синтетического полупроводникового алмаза p- и n-типа проводимости с примесями B и As. Методами токов, ограниченных пространственным зарядом, обнаружены связанные с присутствием As моноэнергетические ловушки носителей заряда, а также ловушки с экспоненциальным распределением плотности состояний по энергии. Показана возможность использования кристаллов синтетического полупроводникового алмаза для регистрации -излучения и в качестве термосенсоров.

Благодаря ряду уникальных свойств синтетический по- Для высокоомных кристаллов, полученных в отсутлупроводниковый алмаз (СПА) является перспективным ствие геттера TiC в шихте (кривая 6), значение энергии материалом для электроники [1]. Одним из ограничений активации (Ed = 1.6эВ) характерно для глубокого дов расширении исследований и практическом примении норного центра азота. При добавлении в шихту мышьяка СПА является сложность его легирования. В настоящем (кривая 5) проявляется энергия активации Ed = 0.7эВ, сообщении приведены некоторые результаты изучения соответствующая уровню, связанному с присутствием As электрических свойств монокристаллов СПА, получен- в СПА[4].

ных при различных условиях легирования, а также Особенности зависимостей R(T ) в области низких рассмотрены примеры возможного их использования в температур T типичны для механизма прыжковой прокачестве чувствительных элементов сенсоров.

водимости [5].

Исследуемые монокристаллы были выращены мето- На рис. 2 приведены вольт-амперные характеристики дом спонтанной кристаллизации [2]. При их получе- (ВАХ) I(U) ряда кристаллов, полученных при различнии в исходную шихту вводился геттер азота TiC, а ных условиях синтеза. Остановимся несколько подробтакже в качестве акцепторной и донорной примесей B нее на свойствах структур на основе кристаллов СПА и As. Варьированием состава и концентрации этих до- группы 5 (кривая 5 на рис. 1) с электрически активными бавок было получено несколько групп кристаллов СПА центрами As. Особенности ВАХ этих кристаллов могут p-типа проводимости с сопротивлением в интервале быть объяснены в рамках модели токов, ограниченных R = 10-105 Ом, а также кристаллы n-типа с R > 106 Ом.

пространственным зарядом (ТОПЗ), при монополярной Монокристаллы имели форму куба или кубооктаэдра инжекции электронов в СПА, содержащий ловушки для с размерами 0.4-0.8 мм. На их противоположные гра- электронов [6].

ни ориентации (111) с помощью лазерной технологии ВАХ 51 и 52 на рис. 2 типичны для случая двух типов и при использовании многокомпонентного состава с моноэнергетических ловушек с уровнями энергии E1, Eкарбидообразующими добавками наносились контакты и концентрациями N1, N2. Когда уровень Ферми (EF) в площадью 5 · 10-4-1 · 10-5 см2. К контактам лазерной кристаллах СПА удовлетворяет условию EF < E1 < E2, сваркой присоединялись серебряные или платиновые резкому росту тока при низких напряжениях предшепроволочки.

ствует квадратичный участок ВАХ (кривая 52). Когда Тип проводимости относительно низкоомных кристал- E1 < EF < E2, при низких напряжениях наблюдается лов определялся по термоэдс. Идентификация примесей, омический участок (кривая 51). На обеих ВАХ приответственных за проводимость, осуществлялась по тем- сутствуют два участка почти вертикального роста тока пературной зависимости сопротивления (рис. 1). Так, при напряжениях полного заполнения ловушек сначала для образцов, синтезированных в присутствии геттера с энергией E1, а затем с энергией E2.

TiC и при малых добавках бора (количественное содер- ”Ловушечные” квадратичные участки ВАХ, согласжание добавок в шихте указано в подписях к рисункам), но [6], описываются выражением энергия активации примеси Ea = 0.35 эВ (рис. 1, кривые 3, 4) близка к известной для акцепторных центров I =(µnU2)/L3, (1) бора. При увеличении содержания бора (кривые 1, 2) Ea 0.20 эВ. Уменьшение Ea в таких кристаллах где = (Nc/gNt) exp(Et - Ec)/kT, L — расстояние связано, как показано ранее [3], с ростом концентрации между контактами, остальные символы имеют обычное бора. значение.

Токи, ограниченные пространственным зарядом, в синтетическом полупроводниковом алмазе величины параметров ловушек. Разброс значений E1 и E2 (0.5 и 0.58 эВ для образца 51) не превышал 0.05 эВ, а для N1 и N2 (2 · 1011 и 5 · 1011 см-3 соответственно) — порядка величины.

Правомерность использования метода ТОПЗ для подобных расчетов подтверждалась и наличием линейной зависимости I от 1/L3 на квадратичных участках ВАХ, полученной из измерений на различных образцах.

ВАХ с более сильными, чем квадратичная, зависимостями I(U) (рис. 2, кривые 53 и 54) иллюстрируют наличие в монокристаллах СПА ловушек с экспоненциальным распределением плотности по энергии [6].

В этом случае l l+l 2l + 1 Ul+I = Ncµe1-l, (3) (l + 1)h l + 1 L2l+где l = T /Tp, Tp — характеристическая постоянная распределения, Tp > T.

Рис. 1. Температурные зависимости сопротивления образцов СПА, полученных при синтезе из шихты, содержащей соответственно B, As, TiC, масс%: 1 —0.1, 0, 6; 2 —0.1, 2, 6;

3 — 0.003, 0, 6; 4 — 0.003, 2, 6; 5 — 0.003, 2, 0; 6 —0.1, 0, 0. На вставке — энергетические уровни B, As и N в алмазе, указаны энергии в эВ относительно дна зоны проводимости или потолка валентной зоны.

При высоких напряжениях на ВАХ наблюдается ”безловушечный” квадратичный участок I =(µnU2)/L3. (2) Выражения для характерных участков и точек ВАХ позволяют определить параметры свободных носителей и примесных состояний. Так, уравнение (2) использовалось для оценки значения подвижности электронов µn.

Параметры донорного уровня, определяющего концентрацию равновесных носителей, определялись на омическом участке ВАХ. Наклон зависимости lg I = f (1/T ) при фиксированном напряжении в диапазоне температур T = 300-800 K дает энергию активации донора Ed = 0.7 эВ. Пересечение этой прямой с осью ординат при 1/T 0 позволило найти концентрацию доноров N0. Как показали расчеты, значения N0 в образцах СПА с разным сопротивлением лежат в интервале 1016-1019 см-3.

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики кристаллов СПА 1, С использованием уравнения (1) и выражения для 5, 6 (см. рис. 1) при 300 (1; 51-54; 6) и 77 K(1 ). (51-54) — напряжения полного заполнения ловушек [6] оценены кристаллы СПА, полученные при одних условиях синтеза.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1168 Ю.А. Детчуев, В.А. Крячков, Э.Г. Пель, Н.Г. Санжарлинский 1/kTp 0 —величину H. Для исследованных образцов СПА значения Et находились в диапазоне 0.57-0.61 эВ, H — в диапазоне 109-1012 см-3.

При температурах выше 520 K и низких напряжениях на ВАХ появляется омический участок, параметры которого определяются уровнем 0.7 эВ.

Рассчитанные значения энергий локальных уровней близки к полученным ранее величинам [4,8]. Тот факт, что концентрация N0 на много порядков превышает значения N1 и N2, не позволяет для объяснения природы обнаруженных центров привлечь модель многозарядного донора [8]. Природа этих центров, вероятно, связана с различными возможностями размещения атомов мышьяка в решетке алмаза. Наличие экспоненциального распределения плотности ловушек ниже уровня с энергией Et = E1 можно связать со значительным структурным разупорядочением решетки вблизи этого центра захвата.

Исследованные образцы СПА обнаружили чувствительность к -излучению. Это обстоятельство представляет интерес, так как детектирование -частиц, как правило, базируется на использовании природных алмазов.

Наибольшей чувствительностью обладали структуры с моноэнергетическими ловушками на втором квадратичном участке ВАХ. Детектирование ухудшалось и прекращалось при появлении в кристаллах ловушек с экспоненциальным распределением плотности по энерРис. 3. Вольт-амперные характеристики образца 5 (см. рис. 1) гии и росте их концентрации. Такая закономерность с экспоненциальным распределением плотности ловушек. T, K:

становится понятной, если учесть условия эффективного 1 — 300, 2 — 370, 3 — 410, 4 — 520, 5 — 500. На вставке — детектирования: высокие дрейфовые скорости носителей зависимость lg H = f (1/kTp).

заряда и отсутствие захвата на ловушки. Для уменьшения захвата нужны либо чистые образцы, либо режимы, при которых ловушки будут заполнены уже до облучеКогда такое распределение начинается от края зоны ния. Именно такие условия реализуются в кристаллах с проводимости, его можно описать выражением моноэнергетическими ловушками: полностью заполнен глубокий уровень ловушек и в значительной степени h(E) =(H/kTp) exp(-E/kTp), (4) второй уровень.

где h(E) — концентрация уровней ловушек в единичном Рассмотрим кратко некоторые свойства монокристалинтервале энергий.

лов СПА p-типа проводимости.

Параметры Tp и H, рассчитанные из температурных ВАХ низкоомных кристаллов при 300 K вплоть до зависимостей ВАХ подобных образцов (рис. 3), обнарутоков 1 мА описывается законом Ома. При 77 K (как жили линейную зависимость lg H от 1/kTp. Как показано и для высокоомных кристаллов при 300 K) имеют место в работе [7] методикой, которой мы воспользовались, характерные для ТОПЗ степенные зависимости I(U) такая зависимость хорошо описывается моделью, учиты(рис. 2, кривые 1, 1 ).

вающей наличие моноэнергетического уровня ловушек Сильная температурная зависимость сопротивления и в запрещенной зоне с энергией Et и ловушек с экспопостоянство наклона lg R = f (1/T ) в широкой области ненциальным распределением плотности состояний по температур (рис. 1) позволяют рассмотреть возможность энергии от этого уровня в глубь запрещенной зоны использования p-кристаллов СПА как чувствительных элементов термосенсоров. Исследования показали, что h =(H /kTp) exp(-E/kTp) exp(Et/kTp), (5) наибольшей стабильностью обладают кристаллы с магде E — энергия ловушек экспоненциального распреде- лым сопротивлением (10-103 Ом), полученные в приления, по-прежнему отсчитываемая от дна зоны проводи- сутствии TiC и при больших добавках B.

мости, H — суммарная плотность ловушек распределе- СПА с контактами, изготовленными, как описано выния ниже уровня Et, H = H exp(Et/kTp). Схематическое ше, могут быть использованы в качестве бескорпусных изображение таких ловушек представлено на вставке сенсоров. Были также получены конструкции с геррис. 1. метизирующим рабочий кристалл наращённым слоем Наклон прямой lg H = f (1/kTp) определяет величину диэлектрического алмаза. Использованные, в частности, Et, а точка пересечения прямой с осью ординат при в качестве теплового вакуумметра в области давления Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Токи, ограниченные пространственным зарядом, в синтетическом полупроводниковом алмазе газов от 5 · 10-2 атм до атмосферного образцы СПА обнаружили более высокую чувствительность, чем манометрические лампы (например, ПМТ-2).

Список литературы [1] В.К. Баженов, М.М. Викулин, А.Г. Гонтарь. ФТП, 19, (1985).

[2] В.Е. Хаджи, Л.М. Штеренлихт, М.И. Самойлович. В сб.:

Синтез минералов (М., Изд-во Недра, 1989) т. 1, с. 481.

[3] Н.В. Новиков, А.Г. Гонтарь. В сб.: Алмазы в электронной технике (М., Энергоатомиздат, 1990) с. 57.

[4] В.А. Лаптев, В.А. Крячков, С.А. Мартынов. Электрон. техн., сер. 5, №3, 18 (1989).

[5] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства легированных полупроводников (М., Изд-во Наука, 1979).

[6] М. Ламперт, П. Марк. Инжекционные токи в твердых телах (М., Мир, 1973).

[7] P.I. Reucroft, F.D. Mullins. J. Phys. Chem. Sol., 35, 347 (1974).

[8] С.М. Ротнер, Ю.М. Ротнер, Г.В. Крищук, Э.М. Храковская, Н.С. Степанова, В.А. Лаптев. ФТП, 17, 198 (1983).

Редактор Л.В. Шаронова Space-charge-limited current in synthetic semiconducting diamonds Y.A. Detchuiev, V.A. Kriachkov, E.G. Pel, N.G. Sanjarlinsky Research Institute for Synthesis of Materials, 601600 Aleksandrov, Russia High Pressure Physics Institute, Russian Academy of Sciences, 142090 Troitsk, Russia

Abstract

Electrical properties of synthetic semiconducting diamonds with B and As as impurities and p- andn-type conductivities have been investigated. The monoenergetic traps fand traps with the exponential density distribution connected with As impurities have been discovered. The aplication possibilities of synthetic diamond crystals for -detection and thermosensors have been suggested.

2 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.