Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 4 Электрофизические свойства InAs, облученного протонами й В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, А.И. Потапов Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, 634050 Томск, Россия Государственный научно-исследовательский центр института физической химии им. Л.Я. Карпова, Обнинское отделение, 249033 Обнинск, Россия (Получена 5 августа 2002 г. Принята к печати 6 сентября 2002 г.) Представлены результаты исследования электрофизических свойств InAs, облученного ионами H+ (E = 5МэВ, D = 2 1016 см-2). Показано, что независимо от уровня легирования и типа проводимости исходного материала после облучения InAs всегда приобретает n+-тип проводимости (n (2-3)1018 см-3).

Обсуждается явление закрепления уровня Ферми в облученном материале. Исследована термическая стабильность радиационных нарушений в InAs при температурах последующего отжига до 800C.

1. Введение эти данные [3,4]. Было установлено, что при исходных концентрациях свободных электронов, меньших При развитии методов радиационной технологии (ра- 1018 см-3, облучение приводит к росту концентрации диационное модифицирование, ионное и трансмутаци- электронов. Многие авторы пытались связать такие осоонное легирование), исследовании радиационной стой- бенности данного полупроводника с преимущественным образованием в кристаллической решетке InAs водорокости полупроводниковых материалов и приборов на их основе, а также при проектировании радиационно- доподобных РД донорного типа. Однако исследования устойчивых систем важное значение приобретает вы- облученного быстрыми нейтронами сильно легированного n+-InAs (n = 2 1019 см-3) выявили уменьшение явление связи между радиационно-стимулированными концентрации свободных электронов, что связывалось изменениями характеристик полупроводниковых матеавторами с преимущественным образованием в таком риалов, так же как и приборов на их основе, и фундаматериале дефектов акцепторного типа [5]. На основе ментальными параметрами кристалла. Важно выяснить, этих данных был сделан вывод о том, что эффективность какую роль в таких изменениях играют условия облуформирования радиационных доноров или акцепторов в чения и предыстория материала, а также каков вклад InAs зависит от уровня легирования и типа проводимов наблюдаемые эффекты фундаментальных параметров сти исходного материала.

самого полупроводника. Особое внимание при этом уделяется проблеме стабилизации (пиннинга) уровня Ферми в облученных полупроводниках и оценке со2. Результаты исследований ответствующих этому ДпредельныхУ электрофизических параметров кристалла [1]. Знание этих характеристик В настоящей работе исследуются электронные харакдает возможность не только предсказать, в каком направ- теристики InAs, насыщенного РД с помощью протонной лении следует ожидать изменения электрофизических бомбардировки. Представлены: 1) данные исследований свойств полупроводника при радиационном воздействии, дозовых зависимостей электрофизических параметров но и позволяет выбором уровня легирования и ти- кристаллов InAs, облученных протонами (5МэВ) инпа проводимости исходного материала обеспечить его тегральными потоками до 2 1016 см-2; 2) эксперименустойчивость к высокоэнергетическому облучению. тальные и расчетные данные по предельному (стациоОсобый интерес среди полупроводников группы ал- нарному) положению уровня Ферми в облученном InAs и электрофизическим параметрам такого материала;

маза и соединений AIIIBV занимает InAs. В отличие от 3) результаты исследований последующего изохронного других материалов, в которых в результате облучения отжига (до 800C) облученного материала в зависимоуровень Ферми смещается в запрещенную зону, для InAs при накоплении радиационных дефектов (РД) от- сти от интегрального потока и исходного уровня легирования. Следует отметить, что исследования свойств мечается сдвиг уровня Ферми в направлении разрешенInAs с высокой плотностью РД, достигнутой в настояных энергий зоны проводимости. Уже в самых первых щей работе протонной бомбардировкой, отсутствуют в работах на поликристаллическом материале были отмелитературе.

чены увеличение концентрации свободных электронов в исходных образцах n-InAs (n0 < 1017 см-3) и p-n-конверсия типа проводимости для p-InAs в результате 2.1. Экспериментальные данные электронного (4.5 МэВ) облучения [2]. Более поздние Исследованы кристаллы, выращенные методом Чоханалогичные исследования монокристаллов подтвердили ральского, параметры которых до и после облуче E-mail: brudnyi@ic.tsu.ru ния максимальными потоками протонов представлены Электрофизические свойства InAs, облученного протонами Таблица 1. Электрофизические параметры образцов InAs и величина спин-орбитального расщепления валентной до и после облучения протонами (E = 5МэВ, зоны = 0.38 эВ. В соответствии с данными рис. SO D = 2 1016 см-2), Ttest = 295 K уровень Ферми во всех исследованных материалах в результате облучения смещается в область разрешенRH(0) RH(D) (0) (D) H(0) H(D) № ных энергий зоны проводимости и закрепляется вблиобразца зи положения Flim EV +(0.49-0.52) эВ для интервала см3/С Ом-1см-1 см2/(В с) температур (295-77) K. Из экспериментальных дан1 -284 -3.1 834 1000 23665 2 -6.1 -2.2 2000 1272 12200 3 +300 -2.1 1.26 1071 360 4 +80 -2.5 3.37 852 270 5 +6.2 -2.0 40.3 910 250 Примечание. RH(0), (0), H(0) Ч коэффициент Холла, проводимость и холловская подвижность до облучения, RH(D), (D), H(D) Ч то же после облучения протонами. Ttest Ч температура измерения.

в табл. 1. Образцы для исследований (d 102 мкм) облучались протонами (E = 5 МэВ, j 5 10-8 А/см2, T 3205 K) на циклотроне ТПУ (г. Томск) с двух сторон, интегральные потоки частиц суммировались.

Измерение параметров облученных кристаллов проводилось после их выдержки вблизи 295 K от недели до полугода в зависимости от интегрального потока частиц.

Отжиг материала до 400C проводился в вакууме, а при Tann > 450C Ч при равновесном давлении паров As.

Характер изменения постоянной Холла RH и электропроводности в образцах InAs n- и p-типа проводимостиприоблученииионамиH+ (5МэВ) показан на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости от дозы облучения коэффициента Холла Как следует из представленных на рис. 1 и в табл. 1 данRH (1, 2) и проводимости (3, 4) в InAs (образцы 1, 4) при ных, во всех исследованных кристаллах при облучении протонной (E = 5МэВ) бомбардировке. Температура измерепротонами величина RH стремится к общему значению ний Ttest = 295 K.

около -2.5см2/С (при Ttest = 295 K), что соответствует предельным (стационарным) значениям концентрации свободных электронов nlim 2.6 1018 см-3. Соответствующие изменения электропроводности кристаллов при облучении также показаны на рис. 1 и в табл. 1. Полученные предельные значения электропроводности и холловской подвижности H = RH составляют около 103 Ом-1см-1 и 2400 см2/(В с) (при 295 K) соответственно. Характер изменения температурных зависимостей RH в образцах n- и p-типа проводимости при протонном облучении также указывает на переход исследованных материалов в вырожденное состояние n+-типа проводимости в результате облучения (рис. 2).

Изменение положения уровня Ферми в исходном материале n-типа (образец 1) и p-типа (образец 5) при протонной бомбардировке представлено на рис. 3. Положение уровня Ферми F рассчитывалось в трехзонном приближении с использованием выражения n = NC (1 + 2/3)3/2/(1 + ) J3/2,0(,, ), где = /EG, = F/kT, = kT/EG, NC Ч эффекSO тивная плотность состояний в зоне проводимости и Рис. 2. Температурные зависимости RH в образцах 1 (1Ц4) J3/2,0(,, ) Ч интеграл Кейна. При расчетах прии 5 (5Ц8), облученных протонами (5МэВ) интегральными нималось, что ширина запрещенной зоны составляпотоками D, 10-16 см-2. 1, 5 Ч0; 2 Ч 0.02; 3 Ч 0.05; 4, 8 Ч2;

ет EG =[0.426 - T /(93 + T )], = 3.158 10-4 эВ/K 6 Ч 0.06; 7 Ч0.1.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 410 В.Н. Брудный, Н.Г. Колин, А.И. Потапов свободных электронов (n0) и соответствующая этому концентрация свободных дырок (p0) в полупроводнике может быть изменена в пределах от n0 до nlim (или от pдо plim) в соответствии с выражениями:

nlim = n0 exp( E/kT), plim = p0 exp(- E/kT), где E = (F0-Flim) и F0 Чисходное (до облучения) положение уровня Ферми. Это приводит к тому, что при концентрациях свободных электронов, меньших nlim = (2-3) 1018 см-3, в InAs при облучении будет иметь место увеличение концентрации свободных электронов, а при n0 > nlim концентрация свободных электронов будет уменьшаться. Следует отметить, что радиационное ДлегированиеУ отличается от легирования химическими примесями тем, что ДпредельныеУ электронные параметры облученного материала определяются положением Flim, а в случае легирования химическими примесями Ч выбором примеси и пределом ее растворимости в полупроводнике.

Рис. 3. Зависимости положения уровня Ферми от дозы облучения в образцах 1 (1, 2), 4 (3, 4) и 5 (5) при 2.2. Модельные оценки протонной (5МэВ) бомбардировке. Температуры измерения Ttest = 77 K (2, 4) и 295 K (1, 3, 5).

При модельных оценках использованы результаты соответствующих исследований для других полупроводников группы алмаза и AIIIBV, у которых уровень Ферми ных был также оценен температурный коэффициент в результате облучения закрепляется в пределах миниFlim/T 1.5 10-4 эВ/K в области (77-300) K. мальной запрещенной зоны кристалла. Предполагается, Эти результаты совместно с литературными данны- что закрепление уровня Ферми в облученном InAs ми [1Ц5] показывают, что введение РД в кристалли- обусловлено не особенностями дефектообразования в ческую решетку InAs приводит к смещению уровня данном материале, а является следствием выполнения Ферми в область разрешенных энергий зоны проводимо- условия зарядовой (локальной) электронейтральности сти и формированию материала n+-типа проводимости для дефектного кристалла. В соответствии с этой (n+ (2-3) 1018 см-3) как для исходных образцов n- концепцией положение уровня зарядовой (локальной) InAs, так и p-InAs. Данные исследований показывают, электронейтральности Elnl определяется балансом межчто эффективность радиационного ДлегированияУ кри- ду заряженными дефектами донорного и акцепторного сталлов n-InAs и p-InAs дефектами донорного типа типов. Действительно, выполненные для InAs расчеты уменьшается с ростом исходной концентрации сво- положения Elnl (точки ветвления комплексной зонной структуры кристалла) в моделях [6,7] дают значения, бодных электронов от n0 до nlim (2-3) 1018 см-3.

близкие к экспериментальным величинам Flim в облученСоответствующие исследования n+-InAs, облученного быстрыми нейтронами [5], выявляют уменьшение эф- ном кристалле (табл. 2). Это указывает на то, что InAs фективности радиационного ДлегированияУ такого ма- после облучения имеет высокую плотность заряженных РД, которая существенно превышает величину nlim.

териала дефектами акцепторного типа при уменьшении концентрации свободных электронов от исходных зна- Именно в этом случае положение уровня Ферми должно задаваться главным образом балансом между заряженчений до nlim за счет облучения. Таким образом, как ными радиационными дефектами донорного и акцептори в других полупроводниках группы алмаза и AIIIBV, ного типов. Действительно, плотность введенных при при облучении InAs вводятся РД как донорного, так и облучении протонами (5МэВ) радиационных доноров в акцепторного типов, а их эффективность в материале исходном p+-InAs, оцененная по начальным скоростям определяется положением уровня Ферми в исследуемом образце относительно его предельного положения Flim в облученном кристалле. При смещении F к значеТаблица 2. Экспериментальное значение Flim, расчетные нию Flim эффективность радиационного ДлегированияУ значения Elnl, EB, EG /2 для InAs (отсчет относительно InAs дефектами как донорного, так и акцепторного уровня, эВ) 8V типов уменьшается вследствие выравнивания скоростей их введения, что и приводит к стабилизации (пиннинFlim Elnl [7] Elnl [14] EB [11] EG /2 [7] гу) уровня Ферми в облученном материале. За счет 0.52 0.50 0.55 0.52 0.радиационного ДлегированияУ исходная концентрация Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Электрофизические свойства InAs, облученного протонами удаления свободных дырок в предположении о том, что накопление РД происходит линейно с ростом дозы, дает величину порядка 2 1019 см-3 для D = 2 1016 см-2.

Аналогично в случае нейтронного облучения сильно легированного n+-InAs (n = 2 1019 см-3) оцененная концентрация радиационных акцепторов при граничных потоках быстрых нейтронов, соответствующих закреплению уровня Ферми вблизи Flim, достигает величины порядка 1.8 1019 см-3 [5]. Таким образом, плотности радиационных доноров и акцепторов в InAs для случая F Flim близки друг к другу (с точностью до (2-3) 1018 см-3), а облученный кристалл можно рассматривать как почти полностью компенсированный материал. Высокая степень компенсации такого материала подтверждается и относительно низкими значениями подвижности H 2.4 103 см2/(В с) (при 295 K) и около 3.6 103 см2/(В с) (при 77 K) относительно расчетных Рис. 4. Зонная диаграмма кристалла InAs, экспериментальное оценок, сделанных в работе [8].

значение Flim и расчетные значения Elnl и EG /2, эВ.

Принимая во внимание, что точка ветвления одномерного кристалла попадает в середину запрещенной зоны [9], было также оценено значение EG /2 в InAs [7].

Здесь величина EG рассчитана как средний энергетический интервал между нижней зоной проводимости и верхней валентной зоной полупроводника в пределах всей зоны Бриллюэна. При выборе модели кристалла с изотропной энергетической щелью EG учитывалось, что положение EG /2 определяется усредненными интегральными характеристиками зонного спектра полупроводника. Действительно, исследования облученных полупроводников в условиях гидростатического сжатия показали, что РД независимо от положения их энергетиРис. 5. Энергетические диаграммы кластеров дефектов в ческих уровней в запрещенной зоне являются глубокими образцах InAs различного исходного уровня легирования, (сильно локализованными) состояниями, что позволяет облученных быстрыми нейтронами или тяжелыми ионами.

для описания экспериментальных данных использовать модель кристалла с изотропной энергетической щелью EG [10]. Значение EG /2, отсчитанное от вершины валентной зоны InAs (уровня ), представлено в 8V свойства облученного InAs, как и для других полутабл. 2. Эти исследования дают также возможность распроводников группы алмаза и AIIIBV, определяются сматривать энергетическое положение Flim как наиболее энергетическим спектром идеального кристалла, а не глубокое состояние дефектов EB кристалла в энергеособенностью дефектообразования в данном материале.

тическом интервале вблизи минимальной запрещенной Единственной особенностью РД в InAs является то, что зоны. Расчеты значения EB, выполненные в работе [11], большинство их энергетических уровней расположены представлены в табл. 2.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам