WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Электростимулированный транспорт дислокаций в постоянном магнитном поле © А.А. Скворцов, Л.И. Гончар, А.М. Орлов Ульяновский государственный университет, 432970 Ульяновск, Россия E-mail: scvor@sv.uven.ru (Поступила в Редакцию 18 октября 2002 г.

В окончательной редакции 9 января 2003 г.) Представлены результаты исследований подвижности дислокаций в легированном n-кремнии (Nd = 5 · 1024 m-3) при одновременном электрическом ( j = 3 · 105 A/ m-2) и магнитном (B 1T) воздействии. Установлено, что введение дислокаций ( 109 m-2) в бездислокационный легированный фосфором кремний приводит к появлению парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости, увеличивающейся с ростом концентрации легирующей примеси. Подобные преобразования могут нести основную ответственность за появление в кремнии примесных магниточувствительных стопоров, откликающихся на внешние магнитные возмущения.

Наблюдение за поведением дислокаций, находящихся под воздействием электрических и магнитных полей, позволило зафиксировать параболическую зависимость их пробега от B. На основе проведенных исследований найдены численные значения эффективных зарядов и подвижностей дислокаций.

Предложена модель, объясняющая увеличение подвижности дислокаций снижением тормозящей способности магниточувствительных стопоров вследствие локального изменения магнитных характеристик материала и протекания спин-зависимых структурных реакций, стимулированных магнитным полем.

Известно, что дислокации, находящиеся в полупро- При проведении опытов каждый образец подвергалводниковом кристалле, являются электрически актив- ся одновременному воздействию постоянного электриными и способны оказывать существенное влияние на ческого тока1 j = 3 · 105 A/ m2, протекающего вдоль электрофизические параметры кристалла [1,2]. В резуль- направления [110], и постоянного магнитного поля (до 1 T). При этом вектор магнитной индукции лежал тате взаимодействия дислокаций с атомами примеси в плоскости образца и был перпендикулярен направлелегированных полупроводников вблизи ядра дислокаций нию тока. Оценка подвижности дислокаций при одновреобразуются примесные атмосферы [3,4], влияющие на поведение структурных дефектов при действии различ- менном действии электрического и магнитного полей осуществлялась путем измерения их пробега стандартных возмущающих полей. В связи с этим одной из ным методом двойного химического травления. Полоинтереснейших задач является исследование влияния жение ямок травления до и после опыта определялось магнитного поля на электростимулированный транспорт с помощью микроскопа МИИ-4 при увеличении 450.

дислокаций. В настоящее время эта проблема интенПо данным измерений были построены гистограммы сивно изучается на ионных кристаллах [5–10]. Однако существует некоторый информационный пробел, каса- пробегов дислокаций n/N(l), где n — число перемещающихся дислокаций на расстояние l, N — полное ющийся магнитостимулированного поведения линейных число зарегистрированных дефектов (рис. 1, 2). Обрадефектов в элементарных полупроводниках, содержащих ботка полученной зависимости среднего статистическопримесные атомы.

го пробега l от индукции B методом регрессионного При экспериментальном исследовании этой проблемы анализа показала, что наименьшая дисперсия реализуиспользовались легированные фосфором образцы без ется для зависимости l f ( B). Установлено (рис. 3), дислокационного монокристаллического кремния с оричто при плотности тока 3 · 105 A/ m2 магнитное поле ентацией [111] (Nd = 5 · 1024 m-3). Ввод дислокаций осуB = 1 T почти в 40 раз увеличивает скорость электроществлялся путем пластической деформации кремния стимулированного перемещения дислокаций в кремнии.

(4 · 10-2 1 · 10-2 4 · 10-4 m) по трехточечной схеме Причиной наблюдаемого эффекта является изменение нагружения со стрелой прогиба 1 mm при температормозящей способности примесных стопоров, удержитуре 1273 K в течение 25 min. Выявление дислокаций вающих дислокацию в состоянии равновесия. Действиосуществлялось по ямкам травления, образующимся тельно, дефектная область вблизи ядра дислокации по после выдержки деформированных образцов в растворе электрическим и магнитным свойствам резко отличается HNO3 : HF: CH3COOH (ледяная)=5: 3: 3 (по объему) от невозмущенных областей кристалла. Это подтверв течение 35 s. Средняя плотность введенных дислождается не только литературными данными [12], но каций составляла 109 m-2. Как показано ранее [11], подобный изгиб активизирует преимущественно краевые Протекание электрического тока сопровождалось нагревом образдислокации. ца до 323 K.

5 1604 А.А. Скворцов, Л.И. Гончар, А.М. Орлов Рис. 1. Гистограммы распределения дислокаций по длинам пробегов после электроотжига ( j = 3 · 105 A/ m2, T = 380 K) образцов монокремния n-типа (0.01 · cm). a — электроотжиг в течение 48 h без магнитной обработки (сплошная линия — нормальное распределение дислокационных пробегов); b-j — электроотжиг в магнитном поле B = 0.3 (b, f), 0.5 (c, g), 0.8 (d, i) и 1 T (e, j) в течение 60 (b-e) и 120 min (f-j).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Электростимулированный транспорт дислокаций в постоянном магнитном поле В результате проведенных измерений было обнаружено, что введение в образец большого количества дислокаций ( 109 m-2) существенно влияет на его магнитные характеристики, а наблюдаемое изменение магнитной восприимчивости = 5.5 · 10-6 носит парамагнитный характер (рис. 4).

Очевидно, магнитная восприимчивость легированного кремния определяется следующими основными составляющими:

= Si + p + e + def, где Si и p — атомные восприимчивости чистого кремния и примеси соответственно, e и def —электронная и структурная [12] составляющие магнитной восприимчивости соответственно.

Рис. 2. Полевая зависимость дислокационных пробегов при электротранспорте дислокаций в магнитном поле в донорном Введение дислокаций перераспределяет примеси кремнии ( j = 3 · 105 A/ m2, T = 380 K). Электроотжиг в тече- в кристалле. Вокруг дислокационного ядра возникает обние 60 (1) и 120 min (2).

ласть с сильно нарушенной регулярностью, приводящей к перераспределению носителей заряда между зоной проводимости, донорным и дислокационным уровнями.

Для оценки степени этого перераспределения определим коэффициент заполнения оборванных связей дислокации электронами [14] a0Et 0.1630Et f = ln-1 = 0.12, 1/3ee2Nd где a — постоянная решетки (m); 0 — электрическая постоянная (F/ m); — диэлектрическая проницаемость;

Et = 0.4 eV — дислокационный уровень в запрещенной зоне; e — элементарный заряд (C).

При используемых плотностях дислокаций заполнение их электронами не является доминирующим механизмом, приводящим к изменению магнитной восприРис. 3. Полевая зависимость магнитной восприимчивости имчивости. Очевидно, повышенная магнитная воспридонорного кремния n-типа (Nd = 6 · 1024 m-3). = 0 (1) имчивость материала в объеме дислокационной труби 109 m-2 (2).

ки обусловлена близко расположенными примесными магнитными центрами, связанными сильным обменным и представленными здесь экспериментами по измерению магнитной восприимчивости образцов до и после введения в них дислокаций.

Измерение магнитной восприимчивости проводилось силометрическим методом Гуи [13] по силе F, действующей на образец в магнитном поле. Величина магнитной восприимчивости исследуемого образца рассчитывалась с помощью выражения = 2Fµ0/ s(B2 - B2), 2 где B1 и B2 — значения индукции магнитного поля в точках пространства, в которых находятся концы образца, s —площадь его торца.

При соблюдении условия B1 B2 и пренебрежимо Рис. 4. Концентрационная зависимость изменения магнитной малом влиянии магнитного поля Земли с достаточной восприимчивости дислокационного кремния n-типа (тонкая степенью точности можно считать, что линия) и коэффициента заполнения оборванных связей дислокации электронами f (жирная линия). Средняя плотность = 2Fµ0/[sB2]. дислокаций в образцах 109 m-2.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1606 А.А. Скворцов, Л.И. Гончар, А.М. Орлов Полевая зависимость скорости электротранспорта и эффективвзаимодействием, способным образовывать новые кланого заряда дислокации (направление движения к аноду) стеры, обладающие повышенным магнитным моментом.

Область вблизи ядра дислокации является системой, B, T V, m/ s z, 1/ atom µe, cm2/(V · s) eff в которой элементарными носителями магнетизма яв0 5 · 10-11 0.002 2.1 · 10-ляются уже не отдельные парамагнитные ионы, а кол0.3 6.4 · 10-11 0.015 2.7 · 10-лектив, содержащий 106-109 атомов. Такие кластеры 0.5 9.8 · 10-10 0.019 4.1 · 10-ведут себя подобно парамагнитным включениям, раство0.8 1.3 · 10-9 0.02 5.1 · 10-ренным в диамагнитной матрице [14].

1.0 1.5 · 10-9 0.021 6.3 · 10-Изменение магнитной восприимчивости, вызванное введением дислокаций, проявляется сильнее в образцах с большей концентрацией примеси. Так, например, при содержании фосфора 3 · 1021 m-3 изменение магнитной которое приводит к увеличению вероятности открепвосприимчивости не фиксируется. По мере увеличе- ления дислокации от стопора и смещению ее в поле ния концентрации легирующей примеси парамагнитный внутренних напряжений кристалла. При этом полная вклад дислокационных областей становится все более энергия системы остается практически неизменной. Поощутимым, достигая 1.9 · 10-5 при уровне легирования добные эффекты обусловлены спиновой селективностью образца 6 · 1024 m-3 (рис. 4). рассматриваемых переходов и реакций структурных деДругой причиной повышенного парамагнетизма мо- фектов.

Количественно степень влияния магнитного поля на жет служить нескомпенсированный электронный спин, локализованный на оборванных связях в пределах каж- способность дислокации сместиться из положения равдой элементарной ячейки ядра дислокации. Этот спи- новесия под действием протекающего в образце тока оценивалась нами через величину эффективного заряда новый момент испытывает ориентирующее воздействие внешнего магнитного поля, благодаря которому в кри- дислокации eZeff, характеризующего как силы электросталле создается антипараллельная полю намагничен- статического взаимодействия, так и эффект увлечения дислокаций носителями заряда.

ность. С ростом Nd число неспаренных электронов Результирующая сила, определяющая движение лина оборванных связах снижается. Это усиливает сдвиг нейного дефекта со скоростью v, описывается выражевосприимчивости деформированного образца в сторону нием [17] парамагнетизма. В области слабых магнитных полей величина этой намагниченности составляет c0L vrF = ZeffNatE - v ln, (1) B 2DdkT Dd J = H = = 4.38B.

µгде L — длина дислокации, Dd — коэффициент диффузии атомов в атмосфере Коттрелла, c0 — равноХарактерно, что магнитная восприимчивость в превесная концентрация примеси в бездефектной области делах разупорядоченной области ядра дислокации может кристалла, — размерная константа, v — скорость сильно превышать среднее по объему значение [15,16].

движения дислокации, Nat — число атомов на линии Локальная повышенная намагниченность материала модислокации, eZeff — эффективный заряд дислокации, жет привести к изменению энергии в области ядра r0 — характерный размер примесной атмосферы, E — дислокации. При B = 1 T плотность энергии магнитнонапряженность электрического поля в образце.

го поля составляет = 4 · 105 J/ m3. Учитывая длину С другой стороны, скорость перемещения дислокаций дислокации 0.01 m и радиус дислокационной трубки при наличиии постоянной силы F описывается известпорядка 2 nm, получим, что энергия магнитного поным уравнением ля, локализованного в области ядра дислокации, равна Dd W = r2L = 5 · 10-14 J, а в районе одной оборванной v = F. (2) kT связи — 5 · 10-21 J. Очевидно, величина W слишком мала, чтобы снизить барьер Пайерлса, однако она мо- Сопоставив (1) и (2) и используя экспериментальжет оказаться достаточной для включения ранее запре- ные значения Dd = 3.2 · 10-18 m2 / s, r0 = 2 · 10-9 m [12], щенных переходов в системе ядро дислокации–стопор. L = 0.01 m, = 10-63 (J · m)2 и Nd = 1024 m-3, нетрудно Вероятность распада структурной связи, удерживающей определить значение Zeff и электрической подвижности дислокацию, зависит от мультиплетности образующей дислокаций при разных величинах индукции магнитного ее электронной пары, т. е. от поляризации спиновой поля (см. таблицу).

цепочки ядро дислокации — стопор. Магнитное поле При протекании электрического тока через кристалл порождает эволюцию спинового состояния в системе дислокация или ее фрагмент смещаются из равнодислокация–парамагнитный центр, завершающуюся сня- весного в соседнее метастабильное состояние с дифтием запрета на определенный электронный переход. фузионным увлечением атомов примеси к ее новому В результате последнего происходит изменение конфи- положению в направлении положительного электрода.

гурации ковалентных связей в зоне ядра дислокации, Контролирующей стадией процесса движения системы Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Электростимулированный транспорт дислокаций в постоянном магнитном поле дислокация–примесное облако является диффузия атомов примеси [17]. При этом распределение дислокаций по пробегам является гауссовым [17].

Электростимулированное движение дислокаций в постоянном магнитном поле меняет характер распределения дислокаций по пробегам, приводят к появлению ярко выраженного „хвоста“ (рис. 1). Кроме того, при увеличении B на гистограммах наблюдается выделение некоторого количества дислокаций ( 2%), переместившихся на большее расстояние по сравнению с основной массой. Это указывает на наличие разнотипных дислокаций, участвующих в электротранспорте (например, с преобладанием краевой и винтовой компоненты), а также анизотропного воздействия на них постоянного магнитного поля.

Итак, в представленной работе проведено исследование магнитостимулированных электротранспортных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатной температуре. Обнаружено значительное увеличение подвижности линейных дефектов при электроотжиге (3 · 105 A/ m2) образцов в постоянном магнитном поле (1T). Измерена магнитная восприимчивость дислокационных и бездислокационных образцов. Отмечено сильное влияние нарушенных областей на магнитные свойства кристалла.

Список литературы [1] Т. Судзуки, Х. Есинага, С. Такеути. Динамика дислокаций и ползучесть. Мир, М. (1989). 286 с.

[2] В.Б. Шикин, Ю.В. Шикина. УФН 165, 8, 887 (1995).

[3] Дж. Хирт, И. Лоте. Теория дислокаций. Атомиздат, М.

(1972). 600 с.

[4] Н.К. Нечволод. Ползучесть кристаллических тел при низких температурах. Вища шк., Киев (1980). 626 с.

[5] Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов. ЖЭТФ 115, 2, 605 (1999).

[6] В.И. Альшиц, Е.В. Даринская, О.Л. Казакова. ЖЭТФ 111, 2, 615 (1997).

[7] Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов. ФТТ 40, 11, 2065 (1998).

[8] Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов. ФТТ 39, 4, 630 (1997).

[9] Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов. Письма в ЖЭТФ 58, 3, (1993).

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.