Київський національний університет імені Тараса Шевченка

СУСЬ Богдан Богданович

УДК 621.315.592

ПЕРЕ-БУ-ДОВА ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЗОН

І ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНИХ ЕФЕКТІВ

В СИЛЬНО ДЕФОРМОВАНИХ КРИСТАЛАХ Ge i Si

01.04.10 - фізика напівпровідників i діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор КОЛОМОЄЦЬ Володимир Васильович, Інститут фізики напівпровідників НАН України ім. Лашкарьова, м. Київ, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор ЖАРКИХ Юрій Серифимович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, професор;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник БОНДАР Віталій Михайлович, Інститут фізики НАН України, м. Київ, відділ електроніки твердого тіла, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут ядерних досліджень, відділ радіаційної фізики, м. Київ.

Захист відбудеться “ 29 ” травня 2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, проспект академіка Глушкова 2, корп. 5.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

01033, Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “11 ” квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.І Кельник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. У зв’язку з роз-ширенням застосування напівпровідникових при-ладів все більш жорсткі вимоги пред’яв-ляються до характеристик і параметрів як вихідних матеріалів, так і приладів на їх основі. Дослідження властивостей напів-провідників в екстремальних умовах впливу зовнішніх фак-торів (сильні електричні і магнітні поля, великі дози іонізуючого випро-мі-нювання, високі тиски тощо) дають можливість визначити механізми фізичних явищ і розробляти при-лади з кращими техніко-економічними та екологічними показниками.

Комплексні дослідження явищ, обумовлених анізотропними властивостями напів-провідників, дають можливість одержати потрібну інформацію про їх енерге-тичну структуру, механізми досліджуваних ефектів, а також визначати характе-рис-тики і параметри матеріалів, що важливо для розу-міння фізичних процесів, які відбуваються за умов різного роду впливів на властивості кристалів сильних тисків, опромінення частинками високих енергій, відпалу при різних температурах тощо.

Важливою проблемою є вивчення механізмів переходу від металічного типу провідності до про-відності активаційного типу і навпаки, так званого фазового пере-ходу метал-ізолятор (МІ). Інтерес до дослідження i практичного викорис-тання фазового переходу МІ пов`язаний з тим, що в останні роки з`явились реальні сфери застосування даного фізичного явища. Однією з найбільш перс-пективних областей застосування переходу метал-ізолятор є опто-елек-тронiка, де використовуються ефекти зміни оптичних властивостей матеріалів в області фазового переходу. Дослідження впливу екстремально високих одно-віс-них тисків на властивості сильнолегованих кристалів дають можливість виз-начити законо-мірності та механізми деформаційно-індукованих пере-ходів метал-ізолятор і порівняти експериментальні дані з висновками різних теоретичних підходів до цього питання.

Дослідження тензоефектів у напівпровідниках важливі також з точки зору вико-ристання одержаних резуль-татів для розробки чутливих сенсорів фізичних величин, які вико-ристовуються у різних галузях промисловості, зокрема для створення надійних датчиків тиску, температури, магнітного поля, розрахованих на тривале і стабільне функціонування в екстре-мальних умовах експлуатації. В поєднанні з сучасними роз-робками в галузі мікроелектроніки та інших областях електронної техніки напів-провідникові сенсори тиску можуть викорис-товуватись в медицині, наприклад для ство-рення як звичайних так і внутрішньосудинних датчиків кров’яного тиску, що дає змогу значно покращити діагностику захворювань. Як свідчать останні публікації, в умовах напрямлених тисків, які виникають внаслідок штуч-ного створення деформації в напів-про-відникових приладах, отриманих епітаксіальним наро-щу-ванням шарів на основу з іншим періодом кристалічної гратки (наприк-лад, на підкладку з розчину Si-Ge), досягається помітне збільшення рухливості носіїв заряду, внаслідок чого зростає швидкодія мікросхем.

Оскільки сильна одновісна деформація обумовлює радикальну пере-будову енерге-тичних спектрів зон дозволених енергій та зміну енергетичних ста-нів де-фектів, локалізованих в заборо-неній зоні, найбільш суттєві зміни фізичних влас-тивостей кристалів (в порівнянні зі слабкими деформаціями) повинні відбу-ва-тися в області активаційної провідності сильно де-фор--мованих напівпровідників. Тому експери-ментальні дослідження зміни електрофізич-них властивостей дають необхідну інформацію про характеристики енер-ге-тичних станів домішок і інших дефектів та їх параметри в сильно деформованих кристалах.

Таким чином, дослідження закономірностей тензорезистивних ефек-тів і, зокрема, анізо-тропних властивостей сильно деформованих монокристалів крем-нію і германію, які є модельними напів-про-відниками з добре вивченими класич-ними ефектами, прояв нових фізичних тензорезистивних ефектів, а також мож-ли-вість їх застосування для створення сучасних напівпровідникових приладів обумовлює актуальність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках планових фундамен-тальних наукових досліджень Інституту напів-провідників НАН України за темами: “Фізичні та фізико-технічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної електроніки” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, протокол №12 від 11.11.1999 р. Шифр теми 1.3.7.3); “Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сен-сорних систем на їх основі” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України. Протокол № 11 від 27.11.2002 р.

Об’єктом досліджень були кристали Si та Ge з різним типом провідності і концентрацією домішок, легування яких відбувалось в умовах вирощування з розплаву, а також внаслідок опро-мінення повільними нейтронами в реакторі з наступним техноло-гічним відпалом чи подальшим опроміненням різними дозами -квантів.

Предмет дослідження тензорезистивні ефекти, обумовлені транс-фо-р-мацією енер-гетичних зон сильно деформованих моно-крис-талів Si і Ge з різним типом провідності і концентрацією домішок, легованих різними способами.

Мета й завдання дослідження: визначення закономірностей тензо-резис-тивних ефектів, обумовлених перебудовою енергетичних зон крис-талів Si та Ge під дією силь-ної одновісної деформації і дослідження анізотропії тензо-резис-тивних ефектів, пов’язаної зі змінами си-мет-рії кристалів, способу і рівня легування, дози -випромінювання тощо.

Згідно з метою визначено конкретні завдання дослідження:

1.

2.

3.

4.

5.

Наукова новизна. На основі даних аналізу результатів експе-риментальних досліджень встановлено, що закономірності тензо-резистивних ефектів у сильно деформованих кристалах Ge і Si визначаються радикальною перебудовою енергетичної структури кристалів і характеризуються механізмами, які залежать від орієнтації і величини одновісної дефор-мації.

Встановлено, що дослідження електрофізичних властивостей одно-вісно деформованих кристалів, виконані в широкій області тисків, дають мож-ливість виявляти різні види дефектів структури напів-провід-ника, глибокі центри, що виникають при вирощуванні кристалу, нейтронному легуванні, -опроміненні, технологічному від-палі, а також дозволяють визначати механізми де-фор-ма-ційно-індукованих фазових пере-хо-дів у сильно легованих Ge і Si n- і р-типу.

На основі досліджень тензо-резис-тив-них ефектів в нейтронно-легованих -оп-ро-мі-нених крис-талах n-Si визначено особливості дефор-маційно інду-кованої іо-ні-зації енерге-тичних станів різного типу дефектів (фосфор, А-цент-ри, високо-тем-пературні термо-донори), які утво-рю-ються в нейтронно-легованому Si в умовах ре-а-лізації стандартної технології нейтронного легування Si і подальшого опро-мінення зразків -квантами. Деформаційно індуко-вана іонізація де-фектів техно-ло--гічного походження в кристалах нейтронно-легованого Si відбу-вається в ши-ро---кому інтервалі температур (25250К) і зале-жить від типу дефекту. Вста-нов-лено, що техно-логічним термо-донорам в нейтронно-легованому Si відповідають два енергетичних рівні в заборо-неній зоні з енергіями активації 78 і 180 меВ.

Досліджено вироджені кристали Ge(Sb) в умовах силь-ного одновісного тис-ку. Встановлено, що вихід-ною причиною дефор-маційно-індуко-ваного фазо-во-го пе-ре-хо--ду металізолятор в одновісно деформованих у нап-рямку [001] вирод-жених кристалах n-Ge(Sb) є відпо-відна перебудова енерге-тичного спектру зони провідності, пов’язана з інверсією типу абсолютного мінімуму сзони, яка харак-теризується збільшен-ням ефективної маси вільних електронів, що у відповідності з виснов-ками теорії ефек-тивної маси (ТЕМ) повинно приводити до локалізації електрона на домішковому атомі, появі енергії активації й переходу до провід-ності в області температур 4,2 15 К .

Аналіз результатів вимірювань тензо-ефектів у сильно легованому р-Si(B) показав, що поблизу концентраційно-контрольованого переходу метал-ізолятор на його діелектричному боці за-леж-ності опору кристалів від одновіс-ного тиску мають екс-по-нен-ціальний характер в області малих тисків і відзначаються наявністю максимуму, поло-ження якого на осі Х залежить від кристалічної орієнтації дослідних зразків. Експоненціальний характер залежності опору від одновісного тиску в області переходу метал-ізолятор в кристалах р-Si може бути вико-ристаний для створення чутливих тензодатчиків різного призначення в діапазоні кріо-генних температур.

Практичне значення результатів досліджень. Результати аналізу тензо-резис-тивних властивостей -опромінених кристалів n-Si, легованих фосфо-ром як під час вирощування, так і методом трансмутації при опроміненні повільними ней-тронами, показали доцільність використання методу дос-лід-жень явища транс-порту сильно деформованих кристалів для вив-чення причин утворення дефектів і їх впливу на електрофізичні властивості. Одержані дані можуть бути використані для вдосконалення режимів техно-логічних відпалів кристалів Si, опро-мі-нених по-віль-ними нейтронами в ядерному реакторі з метою транс-мутаційного легу-вання.

Експоненціальний характер зростання на декілька порядків опору зі збіль-шенням одновісного тиску в області переходу метал-ізолятор в кристалах Ge і Si n- і р-типу може бути вико-ристаний для створення чутливих тензо-дат-чиків в діапазоні кріогенних температур як для області малих, так і великих тисків.

Особистий науковий внесок. Брав участь у вдос-ко-наленні методики вимі-рювання тензоефектів при силь-них одновісних тисках, зокрема розробці схеми вимірювання тензоопору високоомних зразків, брав безпосередню участь у розробці схеми авто-матизації вимірювань за допомогою компютера, проводив вимірювання залежностей , , , підготовляв дос-лід-ні зразки, брав участь у підготовці експерименту, а також в обговоренні результатів вимірювань і підго-товці наукових публікацій. Усі основні резуль-тати дисертації отримано автором осо-бисто. У роботі [1] автором проведено вимірювання температурних залеж-но-с-тей тензоопору для n-Ge і доведено, що збільшення ефективної маси електрона приводить у відповідності з висновками ТЕМ до перебудови домішкових зон в сильно легованих мілкими домішками кристалах Gе. У роботі [2] автором проведені вимірювання тензоопору n-Ge при різних тисках в залежності від температури, на основі чого показано, що поява і зростання з тиском енергії ак-ти-вації 2-провідності в області дефор-маційно-індукованого переходу метал-ізо-ля-тор пов’язано з локалі-зацією електронів на домішкових центрах внаслідок від-повідної зміни енерге-тичних зон Ge, які характеризуються зміною ефек-тив-них мас електронів. У роботі [3] автором проведено вимірювання температурних за-ле-ж-ностей тензоопору і тензоефекту Холла для n-Gе і встановлено, що в ней-тронно-легованому Si такі важливі параметри як пружні константи, константи дефор-маційного потенціалу залишаються такими ж як і в кристалах Si, лего-ва-ному фосфором з розплаву, а всі відмінності в характері залежностей = f(Х) пов’язані з появою в трансмутаційно легованих кристалах так званих термо-донорів, які й визначають закономірності тензорезистивних ефектів в нейтрон-но-легованому Si. У роботі [4] авто-ром проведені вимірювання тензоопору і кое-фіцієнта Холла в залежності від температури і визначено енергії активації термо-донорів в нейтронно-легованому Si. Встановлено, що відхилення від лінійності залежності = f(Х) обумовлене в різних нейтронно-легованих кристалах одним і тим же внеском однакової кількості термодонорів. У роботі [5] автором проведені вимірювання температурних залежностей тензоопору в діапазоні тис-ків 0-2,5 ГПа, визначено суттєве збільшення енергій активації 2-провідності і 1-про-відності в області деформаційно-індукованого переходу МІ.

Апробація роботи. Результати дисертаційних досліджень доповіда-лись на наукових семінарах і конференціях:1-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (з міжнародною участю) (Україна, Одеса. 10-14 вересня 2002 р.); III International Young Scientist's Conference on Applied Physics. Radiophysics faculty. Kyiv National Taras Shevchenko University. June 18-20, 2003, Kyiv, Ukraine; XIII-й Міжнародній конференції “Радиационная физика твердого тела” (Севастополь, 30 червня-5 липня 2003р.);IV-й Міжнародній школі-конференції "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, Україна, 24-27 червня 2003 р.);Міжнародній конференції “Взаимодействие излучений с твердым телом” (ВИТТ-2003). Mинск, Беларусь, 2003 г.; Fourth International Young Scientist's Conference on Applied Physics. June 21-23, 2004, Kyiv, Ukraine. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radiophysics; Eleventh International Conference on HIGH PRESSURE SEMI PHYSICS, August 2-5, 2004, University of California Berkeley, CA, USA; ІІ-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (УНКФН-2). Чернівці-Вижниця, Україна, 2004; Міжнародній науково-технічній конференції “Сенсорна електроніка і мікросистемні технології” (СЕМСТ-1). Україна, Одеса. 2004 р.; Fifth International Young Scientist's Conference on Applied Physics. June 20-22 2005, Kyiv, Ukraine. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radiophysics; V-й Міжнародній школі-конференції "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, Україна, 27-30 червня 2005 р.).

Публікації. Основні результати дослідження викладені в 14 наукових працях, з яких 5 статей у фахових наукових виданнях, 2 доповіді у збірниках матеріалів конференцій, 7 тез конференцій

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, та висновків. Загальний обсяг дисертації 149 с. містить 45 рисунків, 3 додатки. Список використаних дже-рел нараховує 115 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, задачі та об’єкт дослідження, відзначено наукову новизну одержаних результатів і висвітлено практичне значення результатів дисертації

В першому розділі зро-б-лено аналіз літератури по дослідженню тензо-ре-зис-тивних ефектів у кристалах Ge i Si, обумовлених пере-бу-довою енерге-тич-них зон у сильно деформованих кристалах при різних умовах легування, техно-логічних процесів, радіаційних впливів тощо і на його основі визначено напрямок дисер-таційних дослід-жень.

Проаналізовано ряд робіт, присвячених дослідженню закономірностей тензо-резистивних ефек-тів в кристалах n-Si i n-Ge при одновісних тисках, завдяки яким відбувається повне переселення електронів у долини, що опускаються по шкалі енергій. Теоретичні розра-хунки, одержані в рамках теорії анізот-ропного розсію-вання (ТАР), добре узгоджуються з експери-ментальними залеж-ностями Х /0 = f(X) у всій області одновісних тисків для різних концентрацій носіїв заряду і різних орієнтацій одновісного тиску вздовж головних кристалографічних нап-рямків. Однак експери-ментальні дос-лідження тен-зорезистивних ефектів у сильно дефор-мованих кристалах n-Ge при орієнтації осі деформації, яка забезпечує синх-рон-не зміщення по енергії всіх еквівалентних L1-долин зони провідності Ge (X||[100]), що не повинно приводити до зміни опору, обумовленого механізмом перерозподілу електронів між L1-долинами, виявили значне збіль-шення опору кристалів в області тисків Х1,5 ГПа. На основі аналізу одержаних даних встановлено, що всі закономірності заз-наченого ефекту обумовлені явищем L1-1-інверсії абсолютного мінімуму зони провід-ності Ge. Збільшення опору при цьому пов’язане із зростанням ефективної маси внаслідок переселення електронів із 4-х L1-долин (“германієві” долини) у 2-і 1 –долини (“кремнієві” долини) с-зо-ни, яке завер-шується при 78 К в області тисків Х2,5 ГПа. Зроблені висновки, що аналогічні дослідження важливо провести з виродженими кристалами, оскільки осо-б-ливості пере-бу-дови енерге-тич-них зон та зако-но-мірності тен-зо--ре-зис-тивних ефе-ктів при сильних тисках в сильно легованих (вироджених) крис-талах n-Ge створюють умови для виникнення фазового переходу метал-ізолятор.

Згідно з теорією, при збіль-шенні концентрації домішок енергія акти-ва-ції провідності a змен-шується, а коли стає близьким до кри-тичного значення Nc прямує до нуля. При > Nc питомий опір і коефіцієнт Холла майже не залежать від температури аж до найнижчих темепратур (одиниці міліКельвіна), тобто, прояв-ляються металічні власти-вості. Критична концетрація Nc , при якій відбувається перехід метал-ізолятор, визна-чається критерієм Мотта: (Nc ) 1/3 aB 0,25, де aB ефективний радіус Бора. Теоретичне описання явищ переносу в об-ласті металічної провідності із залученням механізму доміш-кового розсію-вання забез-печує гарне кількісне узгодження з експери-ментом в умовах під-вищеного, але не сильного рівня легування. Однак, в області концентрацій, ко-ли aB >>1, теорія тільки якісно узгоджується з експе-риментом. Таким чи-ном, ме-ха-нізми роз-сіювання у випадку сильно легованих напівпровідників з кон-цен-тра-цією доміш-кових цент-рів, що відповідає металіч-ній стороні переходу метал-ізоля-тор, досі не з’ясовані. Тому подальше проведення досліджень в цьому нап-рямку є актуальним. З метою визначення фізичних механізмів дефор-ма-ційно-інду-кованих фа-зових пе-ре--ходів метал-ізолятор у вироджених кристалах n-Ge(Sb) необ-хідні комплексні дослідження тензорезистивних ефектів у сильно дефор-мованих кристалах.

Аналіз результатів досліджень щодо впливу одновісної деформації на яви-ща переносу в кристалах кремнію і германію р-типу показав, що механізми тензо-опору в p-Ge i p-Si обумовлені перебудовою енергетичної структури валент-ної зони у зв’язку з розщепленням при Х=0 в точці k=0 зон “легких” і “важких” дірок. З метою з’ясування впливу перебудови енергетичної структури валентної зони на анізотропію тензорезистивних ефектів в умовах сильного одно-вісного тиску вбачається важливим дослід-ження сильно-легованих кристалів p-Ge i p-Si. У невирод-жених кристалах p-Ge і p-Si при збільшенні одновісного тиску відбувається переселення носіїв заряду із зони “легких” у зону “важких” дірок, що повинно б привести до збільшення опору. Однак для всіх основних крис-талографічних напрямків цей ефект не проявляється, навпаки, поздовжній тензо-опір невироджених кристалів p-Ge і p-Si стрімко зменшується. Пояснюється це головним чином тим, що внаслідок перебудови валент-ної зони відбувається процес, який призводить до істотного зменшення ефективної маси “важких” дірок і, відповідно, збільшення їх рух-ливості. Така зміна тензоопору є результатом деформаційно-індукованої пере-будови енергетичного спектру, тому дослід-ження сильно легованих крис-талах p-Sі(В) в області великих одновісних тисків являє інтерес для розуміння природи тензоефектів.

Дефор-ма-ційно-індукована перебудова енергетичних спектрів впливає на анізотропію тен-зо--ре-зис-тивних ефектів, пов’язаних з дефектами, які визна--ча-ють фізичні влас-тивості напів-про-відників. Дефекти утворюються як при виро-щу-ванні кристалів, так і при техно-логічних обробках зразків. Так, характерною особ-ливістю монокристалів кремнію і германію, ви-ро--щених за методом Чох-раль-ського є їх шарувата структура, з якою пов’я-зана періодична зміна концентрації домішки в напрямку росту кристалу, а також періодичність градієнтів пито-мого опору. Рух-ли-вість носіїв заряду і анізотропія рухливості повинні бути досить чутливими стосовно наявності в матеріалі таких неоднорід-ностей. Відпо-відь на ці питання повинні дати дослідження тензо-ефек-тів в умовах сильної одновісної деформації у зв’язку з перебудовою енерге-тич-ної структури кристалів.

Дія жорст-кого випро-мі-нювання (нейтронів, -променів) на напів-провід-ни-ко-ві матеріали також спричиняє зміну їх властивостей, пов’язану з утво-ренням первин-них радіаційних дефектів, які є причиною виникнення широкого на-бору елек-трично актив-них центрів. Утворення радіаційних дефектів відбу-вається пе-ре-важно в локально напружених областях гратки, поблизу домішки або ін-ших де-фек-тів. Тому важливим напрямком дослідження дефектів напів-провід-ників є їх утво-рення в умовах радіації. Відомим є метод легування кремнію по-вільними нейтро-на-ми, що призво-дить до перетворення ядер ізотопу 30Si у ядра фосфору. Оскільки при нейтронному легуванні має місце однорідний розподіл домішки фосфору, цей ме-тод перс-пективний в електроніці, зокрема при вироб-ництві високо-вольтних потужних приладів, а також в мікроелектроніці. Ней-трон--но леговані кристали харак-тери-зу-ються також підви-щеною стійкістю до впли-ву -опромінення. Однак при нейтрон-ному легуванні ви-ни-кає багато радіа-ційно-ін-дукованих та вторинних дефектів між-ву-золь-них атомів кремнію, вакансій (V), ді-вакансій (V-V), ком-плексів типу вакан-сія-домішка, а також де-фектів, по-єд-наних з розупоряд-куванням. Для нейтралізації радіа-ційних дефектів про-во-дить-ся відпал нейтронно легованих зразків Sі. Таким чином, вивчення дефектів у нейтронно-легова-ному Si з метою визначення їх впливу на елек-трофізичні властивості кремнію і приладів на його основі, кращого розуміння динаміки де-фек-тів і їх природи в напівпровідниках є актуальною проблемою. Оскільки дефекти суттєво впливають на енергетичну структуру, дослідження нейтронно-легованих кристалів в умовах сильного одновісного тиску є перспективним.

У другому розділі описана методика експеримен-таль-них дослід-жень тен--зо---резис-тивних ефектів у напівпровідниках при сильних одновісних тис-ках, що більш ніж на порядок перевищують відомі в літературі. Вивчення тензоефектів у таких умовах має цілий ряд особ-ливостей. Напів-про-відникові крис-тали з кова-лен-тним типом зв’язку (Ge, Si) відзначаються під-ви-щеною крихкістю, тому для досяг-нення великих одновісних тисків без руй-ну-вання кристалів необхідна спе-ціальна техно-логія виготов-лення зразків, нане-сення контактів, встановлення зраз--ків тощо. Дослід-ження пов’язані також з необхідністю проведення вимі-рю-вань питомого опору під дією механічних напруг для точно заданих крис-тало-графічних напрямків, оскільки виявлення ефектів, які повинні дослід-жуватись, і їх величини сильно залежать від орієн-тації кристалу, умов виго-товлення зраз-ків, якості контактів і т.п. Тому в процесі підготовки експерименту та його проведення виникає необхідність точного дотримання всіх необхідних техно-логічних операцій та методики вимірю-вання. Особлива увага приділяється вимірювальному комплексу, який повинен забезпечувати одержання досто-вірних експери-мен-тальних даних. Дослідження в умовах сильного одно-віс-ного тиску проводились на виготовлених за особливою техно-логією гантеле-подібних зраз-ках циліндричної форми і на спеціальній установці, яка забезпечує авто-матизацію вимірювань за допомогою комп’ютера.

У третьому розділі досліджено анізоторпний характер впливу сильних одновісних тис--ків на енергетичні стани технологічних дефектів у високоомних нейтронно легованих крис-талах крем-нію.

Особливістю тензо-резис-тивного ефек---ту в нейтронолего-ва-них крис-та-лах кре-м--нію є те, що після зрос-тання тензо-опору його насичення не спос-теріга-єть-ся, а має місце подальше екс-по---н-ен-ціаль-не спа-дан-ня залеж-ності /= f(Х) зi збільшенням X (рис.1, криві 2,4,6,7).

В кристалах Si , легованих фосфором з розплаву, при орієнтаціях од-но--віс-но-го тиску X||[100], в області температур 78120 К і концентраціях 1018 Np 1020 м-3, тензоефекти обумовлені між-до-лин--ним перерозподілом електронів. Оскільки ізоенергетичні еліпсоїди харак-те-ризуються анізотро-пією рух--ливості носіїв струму, перерозподіл електронів приво-дить до зростання /= f(Х) і виходу опору на насичення, коли процес деформаційно-індукованого пере-се-лення електронів у долини, що опус-каються, завершується в області сильних тисків (криві 1,3,4 на рис.1).

Спад залежності /= f (Х) в області сильних тисків для нейтронно лего-ваних крис-талів n-Si(P) при Т = 78 К дає підстави говорити про неповну іонізацію деяких донорних рівнів у забороненій зоні і відповідне змен-шення їх енергії іонізації зі збільшенням тиску.

Це означає, що в нейтронно-лего-ва-них кристалах крем-нію є енергетичні рівні Wтд , які залягають глибше, ніж зви-чай-ні мілкі донорні рівні фосфору (рис.2).

Рис.2

Для області слабкої іонізації домішок концентрація електронів у зоні провідності підлягає розподілу Больцмана і залежить від енергії іонізації домішок . При зростанні тиску рівень термодонорів Wтд наближається до дна зони провід-ності і концентрація електронів зростає, що призводить до зменшення тензоопору. Таке припущення знайшло також підтвердження в дослідах по вивченню температур-ної залежнос-ті ефекту Холла. Характер зміни сталої Холла при Т = 78 К в кристалах n-Si, легованих методом ядерної трансмутації, переконливо вказує на наявність глибоких центрів, тоді як для кристалів кремнію, легованих з розплаву, концентрація носіїв струму в області температур 78300 К не змінюється. Вплив додаткової іонізації термо-донорів під дією одновісного тиску на тензо-резистивні властивості кремнію залежить також від концентрації фосфору. У відповідності з теорією анізотропного розсіювання в умовах класичного розподілу електронів по енергіях відношення концентрацій електронів у “верхній” і “нижній” долинах одновісно дефор-мованих кристалів кремнію може бути виз-на-чене співвідношенням , де величина енергетичного роз-щеп-лен-ня між доли-нами. Однак, в одновісно дефор-мованих кристалах енергетичне розщеп-лення між долинами пропорційне тиску: Х, тому виходить, що lg () Х. Тобто, для механізму тензорезистивного ефекту, що визначається тільки міждолинним перерозподілом електронів в n-Si, деформованому у напрямку 100, має місце лінійна залежність логарифму відношення концентрацій і від тиску. Оскільки в n-Si поздовжній тензо-ре-зис-тивний ефект обумовлений виключно перерозподілом електронів між долинами, то будь-яке від-хи-лен-ня від лінійності побудованих на основі даних вимірювань тензорезистивного ефекту залежностей lg() = f(X) буде означати наявність додаткового до міждолинного пере-розподілу електро-нів механізму тензоефектів. Дослідження показали, що тільки для досить чистих крис-талів кремнію, лего-ваних фосфором під час вирощування з розплаву, можна отримати лінійну за-лежність lg ( ) = f(X). Така лінійна залежність, одержана на основі даних вимірювань поздовжнього тензорезистивного ефекту при Т=78 К в кристалах n-Si, легованого домішкою фосфору з розплаву, представлена кривою 1 на рис.3 (3,01013 см-3 ).

У даному випадку це пов’язано з віднос-ним збіль-шенням внеску в тензо-ре-зис--тивні ефекти (поряд з міждолинним перерозподілом електронів) механізму дефор-ма-ційно індукованої іоні-зації ви-со-котемпературних те-р-мо--донорів при змен--шенні концентрації основної електрично активної домішки фосфору. Можна вважати, що за умови приблизно однакової кількості кисню в кристалах і одна-ко-вих тем-пе-ра-турних та часових режимах відпалу, концентрація термо-до-норів повинна бути приблизно однаковою в усіх нейтронно легованих кристалах крем-нію, що й обу-мов-лює зростання впливу додаткової іонізації термодонорів під дією одновісного тиску на тензорезистивні властивості зі зменшенням кон-цен-трації фосфору. Інши-ми словами, у більш “чистих” кристалах нейтронно ле-гованого n-Si(Р) з меншою концентрацією легуючої електрично активної до-міш-ки фосфору має місце більш вагомий внесок додаткового до міждолинного пере-роз-поділу електронів механізму тензоефектів. Одержані в дисертації резуль-тати ана-лізу вимірювань поздовж-нього тензорезистивного ефекту в широкій об-ласті од-но-віс-них тисків (0-1,2 ГПа) у легованих фосфором з розплаву та в ней-т-ронно лего-ваних кристалах кремнію, переконливо під-тверджують припущення щодо суттє-вого впливу на електро-фізичні властивості нейтронно легованих кристалів термо-донорів, які виникають в кристалах внаслідок проведення технологічного високо-тем-пе-ра-турного від-палу після опромінення нейтронами.

При дослідженнях дефектів структури кремнію застосовується -оп-ро--мі-нення, оскільки при малих дозах вводяться дефекти, що взаємодіють з уже існу-ючими дефектами. Ця взаємодія відбувається найбільш ефективно в локально напружених областях гратки, тобто поблизу домішок або інших дефектів, що може підвищити ступінь однорідності кристалів. Високий тиск може змінювати умови в локальному оточенні, тому повинні виявитися особливості тензо-резис-тивних ефектів.

На закономірності тензорезистивних ефектів у кристалах n-Sі може істотно впливати наявність шаруватих періодичних неоднорідностей. В кристалах, лего-ваних при вирощуванні з розплаву, неод-норідність розподілу домішки при стискуванні в еквівалентних напрямках 100 не прояв-ляється, однак її вдається виявити в -оп-ро--мінених кристалах. За таких умов тензоопір в напрямку осі рос-ту і в перпен-дикулярному напрямку суттєво відріз-няється, що обумовлено неод-норідною ком-пенсацією донорної домішки внаслідок -оп-ро--мінення, пов’язаною з наяв-ністю шаруватого розподілу легуючої домішки фосфору. Для нейтронно легованих кристалів n-Si(P) анізотропія поздовжнього тензо-ре-зис-тивного ефекту в еквівалентних кристалографічних напрямках [100] і [001] значно менша, причому як в неопро-мінених, так і в опромінених -квантами кристалах.

Таким чином, порівняно з методом легування з розплаву, нейт-ронне легу-вання напів-провідників дає більшу однорід-ність розпо-ділу домішки по всьому об’єму кристалу. Однак техно-логія нейтронного легування передбачає високо-тем--пературний відпал (800850С протягом двох годин) з метою усунення по-ру--шень крис-талічної гратки, які виникають під час опромінення в реакторі, що приз--водить до утворення глибоких електрично активних центрів (ЕАЦ) так зва-них високо-температурних термо-донорів (ТД). Високо-температурні термо-донори технологічного поход-ження ут-во-рюють глибокі цен-три, для виявлення і вив-чення яких були проведені дослідження кристалів кремнію при силь-ному одновісному тискуГлибокі центри утворю-ються в кристалах n-Si(P) в умовах реалізації технології нейтронного легування (високотем-пера-турні термо-донори). Встановлено зміну енергетичного поло-ження рів-нів де-фектів радіа-цій-ного поход-ження (Р, А–цен-три, ТД) від тиску (X||[100]), що добре видно з температурної залежності опо-ру нейт-ронно-ле-го-ваних кристалів кремнію (кон-центрація фос-фору n = 3.151014 ) при різ-них тисках (рис.4), які після ней-тронного легування піддавались -опромі-нен-ню (доза 2,11017 квант/см).

На рис.4. представлені за-леж-ності х/= f(Т) (криві 1-2), а також коефіцієнта Холла (криві 3,4,5) для нейтронно-легованих зраз-ків крем--нію з концентрацією фос-фору 2,310, що отримали дозу -оп-ромінення: крива 3 = 0; криві 1,2,4,5 2,11017 квант/см при різних зна-чен--нях одновісного тиску: криві 1, 3 Х =0.

Цей рівень утворюється, очевидно, у зразках нейтронно легованих крис-та-лів при високотемпературному (850 С) техно-логічному відпалі. Такі дефекти (ви-со-ко-темпе-ратурні термо-донори ТД-ІІ) ефективно генеруються в кристалах крем-нію, вироще-них ме-тодом Чох-ральського і їх кон-цен-трація досягає значень 21018 см-3.

Аналіз температурної за-леж--нос-ті коефіцієнта Холла в неопро-мінених (= 0) і не-де-фор-мованих (Х=0) зраз-ках нейтронно-лего-ва-но-го крем-нію (крива 3 на рис.4) свід-чить, що крім рівня фос-фору, який повністю іонізується при Т 100 К (рівень Р), ще існує рівень, який іонізу-ється при Т 120 К (рівень Тд, рис.4).

У розділі 4 приведено результати досліджень механізму деформаційно-індукованого пере-ходу метал-ізолятор (МІ) у вироджених кристалах Ge(Sb) n-типу, що виникає внас-лідок перебудови енергетичного спектру кристалу в умовах екстремального одновісного тиску.

Перехід метал-ізолятор реалізу-ється за рахунок збільшення рівня легування. Зростання концен-трації домішки приз-водить до збільшення ступеня перекриття хвильових функцій домішкових атомів і делокалі-зації електронів при досягненні критичного значення концен-трації домішки Nc . В кристалах Ge при сильному легуванні мілкими домішками виникає провідність мета-лічного типу, харак-терною озна-кою якої є незалеж-ність опору від температури.

На рис.5 представлена залежність питомого опору від температури в лога-

риф--мічному масштабі для n-Gе(Sb) при різних значеннях тиску Х (ГПа), орієн-то-ваного в напрямку [100], при якому відсутнє міждолинне переселення електронів, оскільки відбувається “синхронне” зміщення енергетичних мініму-мів зони про-відності (криві: 1 0; 2 1,50; 3 1,70; 4 1,90; 5 2,11; 6 2,20; 7 2,50 ГПа. 5,3). Крива 1 знята без де-фор-мації (Х=0), з якої видно, що в інтер-валі 4-15 К опір не за-лежить від темпе-ра-тури, тобто має місце мета--ліч-ний тип про-відності, оскіль-ки кон-цен-трація доміш-ки стибію пе-ре--вищує ве-ли-чину кри-тич-ної кон-цен-трації цієї до-міш-ки.

Із зростанням одно-віс-но-го тис-ку (криві 2-6 рис.5) в сильно ле-го---ва-них ви-род---же-них крис-та-лах Ge(Sb) здійс-ню-ється пере-хід від мета-лічного типу провід-ності до акти-ваційної 2 - провід-ності, що ха-ракте-ризується залеж-ністю опо-ру від тем-пе-ратури при різних зна-ченнях тиску Х .

Очевидно, що такий перехід спричинений зміною енер-гетичних спектрів кристала при одновісному тиску, оскільки при цьому концентрація домішки не змінюється.

Згідно з теорією ефективної маси перехід метал-ізолятор визначається кри-терієм Мот-та: a 0,26. Якщо врахувати, що борівський радіус орбіти електрона, лока-лізованого на міл-ких домішках а = ( діелектрична проникність), то критерій Мотта має вигляд: () 0,26, звідки видно, що збільшення ефективної маси електронів обумовлює збільшення критичної кон-центрації домішки Nc , при якій настає перехід метал-ізолятор. Збільшення величини ефек-тивної маси електрона, яке відбувається при зрос-тан-ні напрям-ле-ного тиску Х, приводить до зменшення величини борівського радіусу і до локалізації електрона на домішці, в результаті чого й відбувається перехід металізолятор. Такі висновки підтверджуються дани-ми досліджень дефор-ма-цій-но-інду-ко-ваних переходів метал-ізолятор у вироджених кристалах n-Ge(Sb).

Аналіз температурних залежностей питомого опору від температури (log=f(1000/T) (рис.5), виміряних при різних значеннях одновісного тиску Х//[100], дає можливість оцінити залежності енергій активації 2 провід-ності і провідності від тиску в області дефор-ма-цій--но індукованого переходу МД (рис.6).

У розділі 5 досліджені тензорезистивні ефекти в сильно легованих кристалах p-Si(B). Закономірності тензорезистивних ефектів у Ge і Si n-типу, як це показано в попередніх розділах, тісно пов’язані з енергетичними зонами кристалів. Оскільки струк--тури валентних зон Ge і Si принципово відрізняються від їх зон провідності, то в умовах сильного одновісного тиску кристалів р-типу слід очікувати особ-ливостей тензоефектів порівняно з крис-талами n-типу.

Проведені дослідження поздовжнього тензоопору у сильнолегованих крис---талах p-Si в широкому діапазоні тисків більше 3,5 ГПа у кристало-графічних напрямках [100], [110], [111] при Т = 4,2 K, результати яких представлені на рис.7.

Для пояснення отриманих експе-ри-мен-тальних залежностей розглянемо змі-ну структури енерге-тичних зон дослід-жу-ваних кристалів кремнію р-типу в умо-вах одновісного тиску. Для всіх основних кристало-гра-фічних нап-рямків при збіль-шенні тис-ку спосте-рігається спочатку стрімке зрос-тання пито-мого опору /, а по-тім його зменшення, що свідчить про зміну ефективної маси.

Рис.7

При одновісній де-фор-мації відбувається розщеплення зон “легких” і “важ---ких” дірок, в результаті чого “легкі” дірки із зони з більшою кривизною пе-ре-ходять у вищу зону з меншою кривизною, де їх ефективна маса стає більшою. Така зміна зонної структури з тиском повинна призвести до збільшення тен-зоопору. Інша зміна зонного спектру пов’язана зі зміною самої структури ва-лентних зон. Двократно вироджений екстремум можна представити ізо-енерге-тич-ними поверхнями типу деформованих сфер, що знаходяться одна в одній. При збільшенні механічної напруги компонент поздовжньої ефективної маси дірок "сплюс-нутого" ізоенергетичного еліпсоїда зони важких дірок, які визначають рухливість електронів в напрямку [111]//, в результаті перебудови зонного спектру значно зменшується. Це й обумовлює суттєве зменшення опору кристалів за рахунок домінуючого механізму зменшення ефективної маси “важких” дірок із зростанням одновісного тиску Х, незважаючи на наявність механізму зростання ефективної маси “легких” дірок при переселенні в зону “важких” дірок.

Для різних орієнтацій хід кривих залежності тензоопору від тиску подібний, однак спостерігаються й особливості. Так, зміна тензоопору в напрямках [110] і [111] відрізняється на три порядки і на певних ділянках залежність логарифму опору від тиску має лінійний характер. Така залежність говорить про складність змін енергетичної структури валентних зон в умовах одновісного тиску. Лінійні залежності логарифму опору від тиску можуть бути використані при створенні тензодатчиків аналового типу для області кріогенних температур.

Висновки.

1. Встановлено, що поряд з класичним механіз-мом перерозподілу електронів (механізм Сміта-Херрінга) в кристалах нейтронно-легованого n-Si(P), додатковим механіз-мом в області сильних одно-вісних деформацій є деформаційно-індукована іонізація радіаційних дефек-тів (фосфор, А-центри) і дефектів техноло-гічного походження (термодонори), які виникають внас-лідок відпалу кристалів після їх опромінення в реакторі повільними нейт-ро-нами.

2. Доведено, що закономірності явищ транспорту у високоомному нейтронно-легованому n-Si(P) (температурні залежності опору, тензо-резистивні ефекти в сильно деформованих кристалах) значною мірою визначаються наявністю високотем-пературних техно-логічних термодонорів (ТД-ІІ), вплив яких на електро-фізичні властивості крис-талів зростає зі зменшенням рівня легування атомами фосфору трансмутаційного походження.

3. Доведено, що відхилення від лінійного закону залежності від тис-ку лога-рифму відношення концентрації електронів у верхніх 1-доли-нах до їх концен-трації у нижніх 1-долинах нейтронно-легованого n-Si(P), характерного для домінуючого меха-нізму перерозподілу електронів в багатодолинних напів-про-відниках, та зміна нахилу лі-ній-ної ділянки залежності обумовлені впливом додаткового до між--долинного перерозподілу механізму тензоефектів, спричиненого дефор-ма-ційно-індукованою іонізацією термодонорів.

4. На основі досліджень закономірностей тензоре-зистивних ефектів в сильно деформованих вирод-жених кристалах n-Ge(Sb) (Х//[100], Х>2,1 ГПа) встанов-лено, що вихід-ною причиною дефор-маційно-індукованих фазових перехо-дів метал-ізолятор в n-Ge є радикальна перебудова енергетичного спектру зони провід-ності германію, яка визначає явище L11 інверсії типу абсолютного мінімуму с-зони і харак-теризується збільшенням ефективної маси вільних електро-нів із зростанням тиску, що призводить до локалізації електрона на доміш-ковому атомі, появі енергії акти-вації й переходу від металічного типу провідності до актив-аційної провід-ності.

5. Встановлено, що збільшення енергій активацї 2 і 1 зі зростанням X пов’язане зі збільшенням ефективної маси електрона, обумовленого явищем L11-інверсії типу абсолютного мінімуму зони провідності германію, яка набуває ознак зони провідності кремнію в області одновісного тиску X>2,5 ГПа, орієнтованого в кристалічному напрямку {100}.

6. Аналіз результатів досліджень тензоефектів у сильно легованих кристалах германію і кремнію р-типу показує, що внаслідок зняття виродження при одно-вісній деформації валентних зон, залежність опору від одновісного тиску визна-чається зміною величини і анізотропії ефективних мас носіїв заряду в зонах “важких” і “легких” дірок і механізмом переселення дірок між зонами, обумов-леним зростанням енергетичного розщеплення зон при збільшенні тиску.

7. Експоненціальний характер залежності опору від одновісного тиску в крис-талах р-Si з концентрацією домішок меншою за критичну кри-тичну кон-центрацію відповідної домішки (NNc) може бути вико-ристаний для розробки чутливих тензодатчиків в діапазоні кріогенних температур як для області малих, так для висо-ких тисків.

Основні матеріали дисертації опубліковані в роботах:

1. Єрмаков В.М., Коломоєць В.В., Новоселець М. К., Сусь Б.Б. Дослідження деформаційно-індукованих перехо-дів метал-ізолятор в сильно-легованих криста-лах n-Sі і n-Ge // Вісник Київського університету, сер. фізико-математичні науки. - 2002. - №3. - С. 291-296.

2. Budzulyak S.I., Ermakov V.M., Kyyak B.R., Kolomoets V.V., Machulin V.F., Novoselets M.K., Panasiuk L.I., Sus’ B.B., Venger E.F. Investigations of physical mechanisms of metal-insulator transition in highly strained n-Si and n-Ge crystals // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. International ScienJournal. National Academy of Sciences of Ukraine.- 2003.- Vol. 6, №1. -P.37-40.

3. Dotsenko Yu.P., Ermakov V.M., Gorin A.E., Khivrich V.I., KoloV.V., Machulin V.F., Panasyuk L.I., Prokopenko I.V., Sus’ B.B., Venger E.F. Thermoactivation energy and mechanisms of tensoeffects in trans-irradiated silicon // Semiconductor Physics, Quantum Electroand Optoelectronics. InterScientific Journal. National Academy of Sciences of Ukraine. - 2003. - Vol.6, № 2. -P.111-114.

4. Доценко Ю.П., Коломоєць В.В., Єрмаков В.М., Коломоєць М.Л., Сусь Б.Б. Дослід-ження енерге-тичних станів дефектів нейтронно легованих -опро-міне-них кристалів кремнію в області сильних напрям-лених тисків // Вісник Київського університету, сер. фізико-математичні науки.- 2003.- №1. -С. 252-258.

5. Budzulyak. S.I., Gorin A.E., Ermakov V.M., Kolomoets V.V., Machulin V.F., Suss B.B., Venger E.F., and Bigoja O.D. Correlated increase of 2- and 1- conductivity energies under strain-induced metal-insulator transition in n-Ge(Sb) // Phys. Stat.sol.(b). -2004.- Vol.241, № 14. - Р.3210-3214.

6. Ermakov V.I.,