НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ НАНУ

КАРАСЬ МИКОЛА ІВАНОВИЧ

УДК 621.315.592

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РАДІАЦІЙНИХ ДЕФЕКТІВ НА ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НЕЙТРОННО ТРАНСМУТАЦІЙНО ЛЕГОВАНОГО ГЕРМАНІЮ

(01.04.07-фізика твердого тіла)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ-2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший

науковий співробітник

Воробкало Федір Михайлович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Баранський Петро Іванович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

головний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук

Неймаш Володимир Борисович,

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник.

Провідна організація: Київський університет імені Тараса Шевченка,

кафедра фізики металів, Міністерство освіти України, м.Київ

Захист відбудеться “ 21_”__квітня___________2000р. о 1415__год. на засі-

данні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напів-

провідників НАН України за адресою: 252650, Київ-28, пр.Науки, 43

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики

напівпровідників НАН України (252650, Київ-28, пр. Науки, 43)

Автореферат розісланий “_21_”__березня__2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Охріменко О.Б.

кандидат фізико-математичних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широкий розвиток досліджень радіаційних дефектів (РД) в напівпровідниках обумовлено великою чутливістю їх властивостей до дії ядерних випромінювань, а також виключно широким використанням напівпровідникових приладів у різних областях науки і техніки. Найбільші успіхи досягнуті в розумінні природи радіаційних дефектів в Si і Ge. Впродовж багатьох років ведуться також інтенсивні дослідження технічного використання різних видів випромінювань для контрольованої і цілеспрямованої зміни властивостей напівпровідникових матеріалів і приладів. Одночасно розвиваються і теоретичні уявлення відносно дії випромінювань на структуру і властивості кристалів.

Одним із найбільш перспективних технологічних напрямків в радіаційній технології напівпровідників є нейтронне трансмутаційне легування (НТЛ), оскільки воно має цілий ряд переваг порівняно з іншими методами легування, головна із яких - велика однорідність розподілу домішок. Висока однорідність і можливість керувати електричними властивостями за рахунок концентрації N і ступеня компенсації K робить НТЛ-Ge незамінним матеріалом для практичного використання в області низьких і, особливо, наднизьких (до 0.03 K) температур: термометри, болометри, детектори ядерного та космічного випромінювань, в тому числі і фононні детектори.

Найбільш перспективним методом одержання НТЛ-Ge з наперед заданими характеристиками є метод, при якому тепловими нейтронами опромінюється Ge зі зміненим ізотопним складом. Цей метод дозволяє керувати типом провідності, концентрацією, ступенем компенсації практично в будь-яких межах і при цьому зберігає високу однорідність. Це відкриває нові можливості у вирішенні цілого ряду задач. Одна із них - питання про електричну активність трансмутаційно введених домішок. При використанні Ge з природним ізотопним складом сумісне введення трьох домішок (акцептора Ga і донорів As і Se) і їх взаємодія з первинними радіаційними дефектами ускладнює задачу. Ситуація спрощується при використанні моноізотопного Ge, так як в цьому випадку вводиться лише одна домішка.

Однією з проблем у дослідженні РД у напівпровідниках є проблема ідентифікації рівнів у забороненій зоні з певними РД. В порівнянні з Si, в якому ідентифіковано цілий ряд РД, особливо важлива ця проблема для Ge внаслідок труднощів прямих структурних досліджень методом електронного парамагнітного резонансу. Тому відносно енергетичного рівня одного із основних в n-Ge радіаційних дефектів - комплексу вакансія-донор (VD) до останнього часу немає єдиної думки, що викликає необхідність подальших досліджень.

Відомо, що РД в напівпровідниках утворюють цілий спектр енергетичних рівнів по всій забороненій зоні, в тому числі і глибокі рівні поблизу середини забороненої зони. При їх експериментальному дослідженні, наприклад, з допомогою холлівських вимірювань, необхідно знати очікувану поведінку глибоких рівнів в різних умовах для правильної інтерпретації експериментальних даних. Це викликає необхідність дослідження статистики рівноважних носіїв заряду в напівпровідниках з глибокими рівнями.

При дослідженні електричної активності домішок поетапний (ізохронний або ізотермічний) відпал РД в залежності від умов опромінення може приводити до появи високоомного компенсованого Ge та до p-n-конверсії. При цьому слід чекати прояву неоднорідностей різного типу і підсилення їх впливу на електричні властивості (наприклад, підсилення градієнтів опору). Це потребує розробки методів адекватної інтерпретації експериментальних даних для таких умов.

Незважаючи на використання методу НТЛ, даних про РД, які виникають в процесі нейтронно трансмутаційного легування Ge, мало. Недостатньо досліджена електрична активність трансмутаційно введених домішок, а літературні дані по цьому питанню носять суперечливий характер. Потребує висвітлення також роль вихідних донорів у процесах дефектоутворення і трансмутаційного легування. Зовсім відсутні літературні дані по дефектоутворенню і відпалу РД в таких перспективних матеріалах як моноізотопні кристали 70Ge і 74Ge.

Таким чином, стан наукових досліджень в цьому напрямку на час виконання даної роботи визначає актуальність вибраної теми.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана у відповідності з планом наукових робіт, які проводились в рамках проекту № 5.44.02 / 102-92 “Створення прецизійних термочутливих сенсорів нового покоління на базі ядерно легованого германію” Державної науково-технічної програми “Розробка та впровадження нового покоління сенсорів на базі напівпровідникових матеріалів”, затвердженої постановою № 12 Державного комітету з питань науки і технологій від 12 квітня 1992р.

Основною метою роботи було висвітлення кола питань, пов’язаних з процесами дефектоутворення і відпалу РД, активації трансмутаційно введених домішок в НТЛ-Ge шляхом використання в дослідженні як Ge з природним ізотопним складом, легованого домішками різного типу в широкому діапазоні концентрацій так і моноізотопних кристалів 70Ge і 74Ge. Для цього необхідно було вирішити такі конкретні задачі:

1. З’ясування умов, при яких трансмутаційно введені домішки виявляють електричну активність.

2. Встановлення основних закономірностей впливу типу і концентрації домішок на процеси дефектоутворення і відпалу РД.

3. Визначення енергетичного положення рівня одного із основних РД в n-Ge - комплексу VD.

4. Аналіз статистики рівноважних носіїв заряду в напівпровіднику з глибоким рівнем поблизу середини забороненої зони.

5. Аналіз аномалій коефіцієнту Холла, в тому числі і подвійної інверсії, в опроміненому нейтронами Ge, визначення природи цих аномалій і розробка якісної моделі.

6. З’ясування можливостей ультразвукової інтенсифікації процесів відпалу РД в НТЛ-Ge.

7. Виявлення особливостей температурних залежностей концентрації носіїв заряду в опроміненому Ge з вихідною одномірною концентраційною неоднорідністю.

8. Аналіз впливу одномірної концентраційної неодномірності на результати вимірювання ефекту Холла при нейтронному опроміненню Ge.

Основними об’єктами дослідження були опромінені реакторними нейтронами кристали Ge з природним ізотопним складом з різним типом і концентрацією вихідних домішок і Ge зі спеціально зміненим ізотопним складом: моноізотопні кристали 70Ge та 74Ge.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Встановлено особливості поведінки трансмутаційно введених домішок у відношенні їх електричної активності, обумовлені як типом, так і часом утворення (під час чи після опромінення) домішок.

2 Запропонована якісна модель, яка висвітлює роль вихідних донорів у процесах дефектоутворення та трансмутаційного легування в нейтронно опроміненому Ge.

3 Вперше проведено дослідження електричної активності трансмутаційно введених домішок в моноізотопних кристалах 70Ge і 74Ge.

4 Вперше в НТЛ-Ge досліджено залежність температури відпалу РД від типу і концентрації вихідної донорної домішки.

5 Встановлено, що комплексу VD у нейтронно опроміненому Ge відповідає глибокий акцепторний рівень посередині забороненої зони.

6 Запропонована нова якісна модель аномалій коефіцієнту Холла, в тому числі і подвійної інверсії, у нейтронно опроміненому Ge, що враховує компенсацію вихідних шарів росту радіаційними дефектами.

7 Шляхом розрахунку статистики рівноважних носіїв заряду із врахуванням внеску неосновних носіїв встановлено аномальний характер температурних залежностей концентрації носіїв заряду в напівпровіднику з глибоким рівнем поблизу середини забороненої зони.

Практичне значення роботи полягає в тому, що вивчено вплив різних домішок (P, Sb, As, Ga) на процеси дефектоутворення і відпалу РД в НТЛ-Ge. Досліджено питання про електричну активність трансмутаційно введених домішок. Одержані дані можуть бути використані в матеріалознавстві для створення матеріалів напівпровідникових приладів, зокрема напівпровідникових термометрів. Отримано компенсований Ge, в якому спостерігається лише власна провідність - тобто, отримано аналог повністю компенсованого Ge або ж аналог “бездомішкового чистого” Ge. Показано можливості ультразвукового впливу на процеси відпалу РД в нейтронно опроміненому Ge. Результати аналізу статистики рівноважних носіїв заряду в напівпровіднику з глибоким рівнем поблизу середини забороненої зони можуть бути використані при трактуванні експериментальних температурних залежностей концентрації носіїв заряду в опромінених напівпровідниках.

Результати дослідження ефекту Холла на межі р+/p-гомопереходу (при різних варіантах розташування холлівських контактів відносно межі гомопереходу) в умовах керованого в широкому діапазоні відношення концентрацій р+/p (3-104) можуть бути використані в метрології напівпровідників при аналізі результатів холлівських вимірювань в напівпровідниках з одномірними концентраційними неоднорідностями.

Одержані нами результати в значній мірі поглиблюють розуміння фізичних процесів, що відбуваються при нейтронному опроміненню Ge, і дозволяють краще прогнозувати і керувати властивостями напівпровідникового матеріалу.

Особистий науковий внесок. Дисертація є узагальненням досліджень, виконаних автором особисто і в співавторстві з колегами по роботі. Автор особисто провів більшість експериментів, результати яких лягли в основу роботи і визначили її наукову новизну. Дисертанту належить суттєва роль в інтерпретації отриманих результатів і написанні наукових праць, крім того він є одноосібним автором трьох друкованих праць.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались на:

-ХІІ Всесоюзній конференції по фізиці напівпровідників (м.Київ, жовтень 1990р.),

-ІІ Українській конференції “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу” (м.Ніжин, вересень 1993р.),

-18-й Міжнародній конференції “Дефекти в напівпровідниках” (Японія, м.Сендай, липень 1995р.),

-ІІ Міжнародній конференції “Взаємодія випромінювання з твердим тілом” (Мінськ, вересень 1997р.),

-семінарах Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 13 роботах, перелік яких наведений в кінці автореферату

Об’єм і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку цитованої літератури з 111 найменувань, в тому числі 13 посилань на авторські роботи. Роболта викладена на 147 сторінках друкованого тексту і містить 24 рисунки на 24 сторінках і 7 таблиць на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми досліджень, сформульовані мета і завдання роботи, наукова новизна та практична значимість отриманих результатів, основні наукові положення, які виносяться на захист, наведено відомості про апробацію матеріалів досліджень, особистий внесок здобувача.

В першому розділі зроблено лівтературний огляд робіт по радіаційним дефектам в Ge та їх впливу на електричні властивості. У вступі до першого розділу розглянуто механізм дії жорсткого випромінення на тверде тіло, можливі типи взаємодії нейтронів в залежності від їх енергії з твердими тілами. Далі розглядається взаємодія первинних РД, вакансій і міжвузлових атомів з домішками і типи комплексів РД, які при цьому утворюються. Описуються експериментальні дані по кінетиці накопичення та відпалу РД в опроміненому Ge та їх залежність від різних факторів. Розглядається вплив типу та концентрації донорної домішки на швидкість введення та відпалу РД. В окремому підрозділі розглянуто відпал РД в НТЛ-Ge. При цьому звертається увага на суперечливі дані по активації трансмутаційно введених домішок. Згідно одних даних потрібен відпал 600-620 K на протязі 20 хвилин, щоб трансмутаційно введені домішки зайняли місце у вузлах кристалічної гратки, по іншим експериментальним даним вони виявляють електричну активність у невідпалених зразках. Приводяться також дані про залежність процесу активації трансмутаційно введених домішок від концентрації вихідної домішки в нейтронно опроміненому Ge. Окремий підрозділ присвячений впливу опромінення на градієнти питомого опору в Ge. В кінці розділу робляться критичні висновки і постановка задачі досліджень.

В другому розділі описано експериментальні методики і установки, які використовувались у роботі. Наведено похибки вимірювань. В дослідженнях використовувались холлівська установка для вимірювання коефіцієнта Холла, питомої електропровідності в області температур 77-400 K і холлівська установка для вимірювання в області температур 4.2-300 K, лабораторна піч опору, в якій проводився ізохронний відпал зразків в діапазоні 130-540 0С. Ізохронний термоакустичний відпал проводився в інтервалі температур 30210 0С з інтервалом 30 0С на протязі 30 хвилин в спеціально виготовленій печі, відмінною особливістю якої була можливість одночасного ультразвукового навантаження зразка (поздовжні хвилі частотою 510 Мгц, інтенсивністю до 2 Вт/см2).

Як вихідний матеріал для досліджень використовувався германій n- і р-типу, вирощений методом Чохральського з різними концентраціями домішок P, As, Sb, Ga (31013-61016 см-3), використовувались також збагачені стабільними ізотопами кристали зі зміненим на відміну від природного Ge ізотопним складом. Це були кристали із вмістом ізотопу 70Ge 96.2 %, а також кристали із вмістом ізотопу 74Ge 98.8 %. Опромінення реакторними нейтронами здійснювалось в реакторах типу ВВР-М. Умови опромінення були такими, що фіксуквали флюенс теплових нейтронів ФТ, а флюенс швидких нейтронів з енергією E>105 еВ при опроміненні був значно менший Фшв0.1ФТ. Флюенс теплових нейтронів можна було змінювати в межах 11015-41018 см-2.

У другому підрозділі приведені формули для розрахунку концентрацій трансмутаційно введених домішок і таблиця зі значеннями сталих, які при цьому використовуються.

У третьому підрозділі приведено методику визначення ефективності введення РД і долі невідпалених дефектів при ізохронному відпалі.

Третій розділ присвячений вивченню впливу типу і концентрації вихідної домішки на процеси дефектоутворення і відпалу РД у НТЛ-Ge (підр.3.1.), впливу ультразвуку на відпал РД (підр.3.2.)і електричної активності трансмутаційно введених домішок (підр.3.3.).

Основні результати досліджень, викладені у першому підрозділі, є такими:

1. При опроміненні n-Ge швидкість введення РД пропорційна концентрації вихідної донорної домішки. Це свідчить про те, що в склад РД входить донорна домішка.

2. Відпал РД в зразках n-Ge, легованих домішками P, As, Sb з різними концентраціями, а також в моноізотопному кристалі 74Ge відбувається в три стадії: 1 - 130-170 0С, 2 - 250-340 0С, 3 - 300-540 0С.

Враховуючи те, що температури відпалу комплексів VD і VVD (160 0С і 250-300 0С відповідно) входять в інтервали першої і другої стадій відпалу, ми робимо висновок, що на цих стадіях відбувається відпал комплексів VD і VVD. Максимальне відновлення концентрації носіїв заряду (50 ) спостерігається на другій стадії, а мінімальне - на першій (до 10 ). Ми це пояснюємо тим, що в наших умовах опромінення в більшій концентрації утворилися комплекси VVD (порівняно з комплексами VD), оскільки всі зразки в результаті опромінення конвертували в р-тип. Як відомо, після n-p-конверсії переважно утворюються комплекси VVD.

3. На другій і третій стадіях відпалу спостерігається залежність температури відпалу від типу донорної домішки. Температура відпалу зростає із збільшенням ковалентного радіусу донорної домішки в ряду домішок P, As, Sb.

4. Температура відпалу для кожної донорної домішки зростає із зменшенням концентрації донорної домішки.

5. Ізохронний відпал моноізотопного трансмутаційно легованого кристалу 74Ge, в який трансмутаційно введено миш’яку в концентрації NAs2.351015 см-3, аналогічний відпалу (криві ізохронного відпалу практично співпадають) зразка, легованого сурмою з близькою концентрацією NSb=3.91015 см-3. На підставі цього ми робимо висновок, що трансмутаційно введена домішка As знаходиться у вузлах кристалічної гратки, так само як і вихідна домішка Sb.

6. Температура зворотної p-n-конверсії, тобто температура, при якій відбувається повернення до n-типу провідності в результаті відпалу, зростає із зменшенням концентрації вихідної донорної домішки. Ми пояснюємо це тим, що в зразках n-Ge з різною концентрацією вихідної домішки при опроміненні реакторними нейтронами утворюються різні набори комплексів (VD, VVD, Vn) з різними температурами відпалу. Відповідно до температур відпалу цих комплексів і відбувається зворотна p-n-конверсія.

У другому підрозділі приведені результати дослідження впливу ультразвуку на відпал РД. Для дослідження були відібрані досить сильно компенсовані зразки НТЛ-Ge з яскраво вираженою домішковою провідністю у вигляді крутих активаційних ділянок в інтервалі температур 77-300 K (глибокі рівні РД акцепторного типу). Вихідні зразки були леговані сурмою NSb=41013 см-3. Опромінення проводилось реакторними нейтронами з флюенсом теплових нейтронів ФТ11015 см-2. В інтервалі температур 30-210 0С проводився як звичайний термічний відпал, так і термоакустичний відпал з інтервалом 30 0С на протязі 30 хвилин. В результаті для зразка, який пройшов термоакустичний відпал при 120 0С, порівняно із контрольним зразком (без ультразвукової обробки при відпалі) при 100 K спостерігалось зменшення питомого опору в 3 рази, збільшення концентрації дірок в 1.8 рази і, відповідно, збільшення рухливості в 1.6 рази. Слід відмітити, що в цілому і термічний відпал і термоакустичний в інтервалі температур 30-210 0С приводив до зменшення енергій активації глибоких рівнів, причому термоакустичний відпал стимулював цей процес. Оскільки в загальному вплив ультразвуку на відпал РД в НТЛ-Ge еквівалентний деякому підвищенню температури, то механізм ультразвукової дії зводиться, в основному, до прискорення дифузії точкових дефектів. Таким чином, уданому дослідженні вперше методом термоакустично відпалу показана стимулююча роль ультразвукової дії при відпалі РД у НТЛ-Ge.

У третьому підрозділі приведені результати досліджень електричної активності трансмутаційно введених домішок. З цією метою використовувались як зразки Ge з природним ізотопним складом так і моноізотопні кристали 70Ge, 74Ge. Проводився ізохронний відпал зразків в діапазоні 130-540 0С з інтервалом 20 0С на протязі 20 хвилин. Після кожного відпалу вимірювались холлівські концентрації носіїв заряду при 77 і 300 K. Знімались також температурні залежності концентрації носіїв заряду від температури в діапазоні 4.2-300 K. Із результатів цих досліджень зроблені такі висновки:

1. Вперше одержано прямий доказ того, що трансмутаційно введений Ga проявляє електричну активність у невідпалених зразках НТЛ-Ge. Такий висновок зроблено на підставі порівняльного аналізу поведінки трансмутаційно введеного Ga в зразках моноізотопного кристалу 70Ge та Ge з природним ізотопним складом.

2. Трансмутаційно введений As веде себе по-різному у відношенні до електричної активності в залежності від того, коли він утворився: під час чи після опромінення. В першому випадку він, в основному, взаємодіє з вакансіями з утворенням комплексів VAs і VVAs і потрібен відпал для активації As, причому, температура відпалу залежить від NAs. У другому випадку As компенсує або трансмутаційно введений Ga (в Ge з природним ізотопним складом), або акцепторні рівні радіаційного походження (в моноізотопному 74Ge) і виявляє електричну активність у невідпалених зразках.

3. На основі порівняльного аналізу поведінки донорів в моноізотопному 74Ge і Ge з природним ізотопним складом з вихідною донорною домішкою запропонована нова якісна модель, яка показує, що роль вихідних донорів V групи в процесах дефектоутворення і трансмутаційного легування зводиться до:

а) участі в комплексоутворенні,

б) компенсації трансмутаційно введеного Ga і акцепторних рівнів радіаційного походження.

І тому при певному співвідношенні ND і Ф у невідпалених зразках концентрація дірок дорівнює очікуваній концентрації трансмутаційно введених домішок: р77NGa(1K0)=NGaNAs2NSe .

Розділ 4 присвячений аналізу статистики рівноважних носіїв заряду в напівпровіднику з глибоким рівнем поблизу середини забороненої зони з подальшим використанням одержаних результатів для дослідження глибокого рівня з енергією активапції Е=0.40.02 еВ, який спостерігався в НТЛ-Ge. На відміну від відомого випадку, коли глибокий рівень виявляє донорні або акцепторні властивості в залежності від ступеня його заповнення, ми показали в першому підрозділі, що такі зміни відбуваються і при зміні температури. При цьому виникають аномальні температурні залежності концентрації носіїв заряду типу npnі або pnnі в залежності від розташування глибокого рівня відносно середини забороненої зони (вище, нижче) та ступеня його компенсації. Причиною таких температурних залежностей є те, що один і той же рівень при одних температурах виявляє властивості донора із-за переважання переходів глибокий рівеньзона провідності, при інших - акцептора із-за переважання переходів валентна зонаглибокий рівень.

У другому підрозділі представлені результати дослідження процесу дефектоутворення в опроміненому n-Ge в області n-p-конверсії, де домінуючим процесом є утворення комплексів VD, з метою визначення енергетичного положення відповідного їм рівня.

В експерименті використовувались зразки n-Ge, леговані домішками As, P, Sb з концентраціями 3.91015-5.91016 см-3. В результаті опромінення флюенсом теплових нейтронів ФТ11017 см-2 (Фш0.1ФТ) всі зразки конвертували в р-тип, за винятком одного - Ge(As) з максимальною концентрацією донорів NAs=5.91016 см-3. В двох зразках з максимальними концентраціями As, один з яких в результаті опромінення конвертував в р-тип (NAs51016 см-3), а другий залишився у n-типі (NAs5.91016 см-3) в холлівських вимірюваннях спостерігався глибокий рівень з енергією активації Е=0.40.02 еВ і концентрацією, яка корелювала з вихідною концентрацією As. В результаті проведеного аналізу доводиться, що в обох випадках спостерігається один і той же глибокий акцепторний рівень, який належить комплексу VAs - одному із основних радіаційних дефектів у нейтронно опроміненому Ge.

Таким чином, вперше в холлівських вимірюваннях виявлено глибокий акцепторний рівень посередині забороненої зони, який належить радіаційному дефекту - комплексу VD у нейтронно опроміненому Ge(As).

Розділ 5 присвячений дослідженню радіаційних ефектів, обумовлених концентраційними неоднорідностями, в нейтронно опроміненому Ge. В першому підрозділі розглядається концентраційна неоднорідність типу різкого гомопереходу в опроміненому нейтронами Ge. Для одержання такого гомопереходу використовувались злитки n-Ge(P) і n-Ge(Sb) з N=2.71016 см-3, вирощені в напрямку 111, в яких були центральні збагачені домішкою канали, обумовлені ефектом грані. Зразки вирізались в площині (111) уздовж радіуса злитка. Після опромінення реакторними нейтронами зразки конвертували в р-тип. В таких зразках спостерігались різні експоненційні температурні залежності концентрації дірок по різні сторони від межі гомопереходу: p1exp(-E1/kT),

p2exp(-E2/kT). При зниженні температури відношення р1/p2 зростало по експоненційному закону і досягало декількох порядків. Для пояснення цього ефекту була запропонована модель перекомпенсованого неоднорідного напівпровідника з двома або більше рівнями, яка якісно пояснює підсилення проявлення концентраційної неоднорідності (збільшення відношення р1/p2) в опроміненому Ge блокуванням рівня Фермі в різних частинах зразка поблизу рівнів з різною енергією активації.

В другому підрозділі використано досліджене в попередньому підрозділі явище різної температурної залежності концентрації дірок по різні сторони від межі різкого р+р-гомопереходу. Це дало змогу дослідити ефект Холла на межі гомопереходу та поблизу неї в широкому діапазоні значень р+/p=3104. Виміряні значення ефективного коефіцієнту Холла на межі та поблизу межі гомопереходу при різних варіантах розташування холлівських контактів порівнювались із розрахунковими (теоретичними) значеннями. Одержано хороший збіг виміряних і розрахованих значень ефективного коефіцієнту Холла.

При дослідженні опромінених компенсованих напівпровідників зустрічаються більш складні (порівняно із розглянутими в попередніх двох підрозділах) неоднорідності, що приводять до різноманітних аномалій коефіцієнту Холла. Наприклад, аномалії в температурних залежностях коефіцієнту Холла, в тому числі і подвійна інверсія коефіцієнту Холла (ПІКХ), спостерігаються в термообробленому або опроміненому Ge при підході до власної провідності. В третьому підрозділі приведені результати досліджень аномалій коефіцієнту Холла, які виникли в ході ізохронного відпалу після температури відпалу Тв=250 0С. В експерименті використовувались зразки n-Ge з концентрацією фосфору NP2.51016 см-3, вирізані уздовж радіусу шайби в площині (111). Опромінення проводилось реакторними нейтронами (ФТ11017 см-2, Фш0.1ФТ). В результаті опромінення зразки конвертували в р-тип. Аномалії коєфіцієнту Холла полягали в подвійній зміні знаку RH в температурному діапазоні 120-370 K

(n-p-n-інверсія) і в проявленні в одній і тій же залежності коефіцієнту Холла RH(T) різних енергій активації: Eg/2, Ec-0.27 еВ, Ev+0.22 еВ. Відомі моделі аномалій не змогли пояснити одержані нами експериментальні дані. Нами запропонована якісна модель, яка пояснює аномалії в температурній залежності коефіцієнту Холла. Ці аномалії обумовлені n- і р-шарами, які утворюються завдяки компенсації вихідних шарів росту радіаційними дефектами при опроміненні n-Ge.

ВИСНОВКИ

1. Проведено дослідження закономірностей дефектоутворення і відпалу РД у НТЛ-Ge з різним типом (P, As, Sb, Ga) і концентрацією (41013-61016 см-3) домішок, а також в моноізотопних кристалах 70Ge і 74Ge. В результаті проведення ізохронного відпалу зразків в інтервалі температур 130-540 0С було встановлено, що:

а) відпал РД відбувається в три стадії: 130-170 0С, 250-340 0С, 300-540 0С. Перша і друга стадія відповідають температурам відпалу комплексів VD і VVD (160 0С і 250-300 0С відповідно). Із співставлення наших даних з літературними випливає, що на перших двох стадіях відпалюються РД, які утворилися в результаті опромінення тепловими нейтронами, третя стадія обумовлена дією швидких нейтронів.

б) максимальне відновлення концентрації носіїв заряду (50%), тобто, максимальний відпал РД, відбувається на другій стадівї.

в) температура відпалу РД залежить від ковалентного радіусу донорної домішки і зростає в ряду домішок P, As, Sb (r=1.1 1.225 1.36 A0 відповідно). Така залежність спостерігалась на другій і третій стадіях відпалу.

г)із збільшенням концентрації вихідної донорної домішки зменшується температура зворотної p-n-конверсії, тобто, температури повернення до електронної провідності зразків Ge, переведених в результаті нейтронного опромінення в р-тип.

2. Порівняльний аналіз поведінки трансмутаційно введеного Ga в зразках Ge з природним ізотопним складом та моноізотопного кристалу 70Ge показав, що трансмутаційно введений Ga проявляє електричну активність у невідпалених зразках.

3. Трансмутаційно введений As веде себе по-різному у відношенні електричної активності в залежності від того, коли він утворився: під час чи після опромінення. В першому випадку він, в основному, взаємодіє з вакансіями з утворенням комплексів VD і VVD і потрібен відпал для активації As. У другому випадку As компенсує або трансмутаційно введений Ga (в Ge з природним ізотопним складом), або акцепторні рівні радіаційного походження (в моноізотопному 74Ge) і виявляє електричну активність у невідпалених зразках.

4. Порівняльний аналіз поведінки донорів в моноізотопному 74Ge і Ge з природним ізотопним складом з вихідною донорною домішкою показав, що роль вихідних донорів V групи в процесах дефектоутворення і трансмутаційного легування зводиться до участі в комплексоутворенні та компенсації трансмутаційно введеного Ga і акцепторних рівнів радіаційного походження.

5. Розраховано статистику рівноважних носіїв заряду в напівпровіднику з глибоким рівнем поблизу середини забороненої зони. На відміну від відомого випадку, коли такий рівень проявляє донорні або акцепторні властивості в залежності від ступеня його заповнення, встановлено, що зміна властивостей може відбуватись і при зміні температури. Це обумовлено тим, що при одних температурах домінують переходи валентна зонаглибокий рівень, при інших - глибокий рівеньзона провідності. При цьому проявляються аномальні температурні залежності концентрації носіїв заряду типу npni або pnni в залежності від розташування глибокого рівня відносно середини забороненої зони (вище, нижче), та ступеня його компенсаці

6. Встановлено, що радіаційний дефект - комплекс VD у нейтронно опроміненому Ge(As) має глибокий акцепторний рівень, розташований посередині забороненої зони (Е=0.40.02 еВ).

7. Показано, що аномалії коефіцієнту Холла поблизу р-n-конверсії в нейтронно опроміненому Ge виникають завдяки n- і p-шарам, які утворюються при компенсації вихідних шарів росту радіаційними дефектамим при опроміненні n-Ge.

8. Підсилення проявлення одномірної концентраційної неоднорідності (збільшення відношення концентрацій р1/р2) при зниженні температури в опроміненому неоднорідному Ge із спектром радіаційних рівнів відбувається за рахунок блокування рівня Фермі в різних областях зразка поблизу рівнів з різною енергією активації.

9. Ультразвук стимулює темічний відпал РД у НТЛ-Ge.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Воробкало Ф.М., Карась Н.И. Концентрационная неоднородность в облученном нейтронами германии // ОПТ.-1992.-вып.23.-С.88-92.

2. Воробкало Ф.М., Карась Н.И. Эффект Холла в полупроводнике с гомопереходом // ОПТ.-1992.-вып.22.-С.32-36.

3. Карась М.І. Глибокі рівні в нейтронно-опроміненому германії і власна провідність // УФЖ.-1994.-Т.39.-№ 5.-С.616-621.

4. Карась Н.И. Глубокие уровни и аномальные температурные зависимости концентрации носителей заряда // ОПТ.-1996.-вып.31.-С.28-34.

5. Олих Я.М., Карась Н.И. О влиянии ультразвука на отжиг радиационных дефектов в нейтронно-легированном германии // ФТП.-1996.-Т.30.-№ 8.-С.1455-1459.

6. Карась М.І. Глибокий акцепторний рівень посередині забороненої зони: комплекс вакансія-донор у нейтронно-опроміненому германії // УФЖ.-1997.-Т.42.-№ 2.-С.191-194.

7. Воробкало Ф.М., Карась Н.И. Аномалии коэффициента Холла в нейтронно-облученном германиии // ОПТ.-1998.-вып.33.-С.94-102.

8. Концентрационная неоднородность в облученном нейтронами германии / Воробкало Ф.М., Карась Н.И. ИФП НАНУ.-Киев, 1991.-10с.-Рус.-Деп. в ВИНИТИ 26.06.91, № 2724-В91 // Анот. в ж. УФЖ, №7, 1991.

9. Воробкало Ф.М., Карась Н.И. Электрические свойства компенсированного полупроводника с системой энергетических уровней при неоднородном легировании // Тезисы докладов ХІІ Всесоюзной конференции по физике полупроводников, ч.1.-Киев:Наукова думка.-1990.-С.287.

10. Воробкало Ф.М., Карась Н.И. Температурные инверсии коэффициента Холла в облученном нейтронами германии // Тези доповідей ІІ Української конференції “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу”.-Ніжин.-1993.-ч.2.-С.247.

11. Olikh Ya.M., Karas M.I., Tartachnik V.P. Thermoacoustic annealing of radiation-induced defects in semiconductors crystals (NTD Ge, InP) //

Abstract booklet of 18th International Conference on “Defects in semiconductors”.-Sendai, Japan.-1995.-P.353.

12. Воробкало Ф.М., Карась Н.И., Прокопенко И.В. Электрическая активность примесей и процессы дефектообразования в облученных нейтронами моноизотопных кристаллах 70Ge и 74Ge // Тезисы ІІ Международной конференции “Взаимодействие излучений с твердым телом.-Минск:БГУ.-1997.-С.82.

13. Карась Н.И., Прокопенко И.В. К вопросу об энергетическом положении акцепторного уровня комплекса вакансия-донор в нейтронно-облученном германии // Тезисы ІІ Международной конференции “Взаимодействие излучений с твердым телом”.-Минск: БГУ.-1997.-С.93.

АНОТАЦІЯ

Карась М.І. Дослідження впливу радіаційних дефектів на електричні властивості нейтронно трансмутаційно легованого германію.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Виконані експериментальні дослідження закономірностей дефектоутворення і відпалу радіаційних дефектів (РД) у нейтронно трансмутаційно легованому (НТЛ) германії з різним типом і концентрацією домішок, а також у НТЛ моноізотопних кристалах 70Ge та 74Ge. Показано, що швидкість введення РД пропорційна концентрації вихідної донорної домішки, відпал РД в зразках n-Ge, які в результаті опромінення конвертували в р-тип, і в моноізотопному 74Ge відбувається в три стадії. Температура відпалу на двох стадіях залежить як від типу, так і від концентрації вихідної донорної домішки. Експериментально визначено, що РД - комплекс VD в НТЛ-Ge(As) має глибокий акцепторний рівень посередині забороненої зони (Е=0.40.02 еВ). Порівняльний аналіз поведінки трансмутаційно введених домішок (Ga, As) в Ge із природним ізотопним складом і в моноізотопних кристалах 70Ge та 74Ge показав, що трансмутаційно введений Ga і при певних умовах As виявляють електричну активність у невідпалених зразках. На підставі аналізу експериментальних даних запропонована модель, яка показує роль вихідних донорів V групи в

процесах дефектоутворення і трансмутаційного легування. Показано, що аномалії коефіцієнту Холла поблизу p-n-конверсії в НТЛ-Ge виникають завдяки n-і р-шарам, які утворюються внаслідок компенсації вихідних шарів росту радіаційними дефектами при опроміненні n-Ge.

Ключові слова: нейтронно трансмутаційно легований германій, радіаційні дефекти, ізохронний відпал, моноізотопні кристали, ефект Холла, концентрація носіїв заряду.

АННОТАЦИЯ

Карась Н.И. Исследование влияния радиационных дефектов на

электрические свойства нейтронно трансмутационно легированного германия.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Выполнены экспериментальные исследования закономерностей дефектообразования и отжига радиационных дефектов (РД) в нейтронно трансмутационно легированном (НТЛ) германии с разным типом и концентрацией примесей, а также в НТЛ моноизотопных кристаллах 70Ge и 74Ge. Показано, что скорость введения РД пропорциональна концентрации исходной донорной примеси, отжиг РД в образцах n-Ge, которые в результате облучения реакторными нейтронами конвертировали в р-тип, и в моноизотопном 74Ge происходит в три стадии. Температура отжига на двух стадиях зависит как от типа, так и от концентрации исходной донорной примеси. В зависимости от величины ковалентного радиуса донорной примеси температура отжига РД возрастает в ряду примесей P, As, Sb (r=1.1 1.225 1.36 A0 соответственно). Для каждой отдельной донорной примеси температура отжига уменьшается с увеличением ее концентрации. С увеличением концентрации исходной донорной примеси уменьшается также температура обратной p-n-конверсии, т.е., температуры возврата к электронной проводимости образцов n-Ge, переведенных в результате облучения реакторными нейтронами в р-тип.

Экспериментально (в Холловских измерениях) определено, что радиационный дефект - комплекс VD в НТЛ-Ge(As) имеет глубокий акцепторный уровень посредине запрещенной зоны (Е=0.40.02 эВ). На основании сравнительного анализа поведения трансмутационно введеного Ga в образцах моноизотопного кристалла 70Ge и Ge с природным изотопным составом впервые получено прямое доказательство того, что трансмутационно введеный Ga проявляет электрическую активность в неотожженных образцах НТЛ-Ge. Трансмутационно введеный As ведет себя по-разному в отношении электрической активности в зависимости от того, когда он образовался: во время или после облучения. В первом случае он, в основном, взаимодействует с вакансиями с образованием комплексов VD и VVD и необходим отжиг для активации As, причем, температура отжига будет зависеть от NAs. Во втором случае As компенсирует или трансмутационно введеный Ga (в Ge с природным изотопным составом), или акцепторные уровни радиационного происхождения (в 74Ge) и проявляет електрическую активность в неотожженных образцах. На основе анализа экспериментальных данных предложена качественная модель, показывающая роль исходных доноров V группы в процессах дефектообразования и трансмутационного легирования. Исходные доноры участвуют как в процессах комплексообразования так и в компенсации трансмутационно введеного Ga и акцепторных уровней радиационного происхождения. Методом термоакустического отжига показана стимулирующая роль ультразвука (=6.4 МГц, W=1 Вт/см2) в отжиге РД в НТЛ-Ge. Показано, что аномалии коэффициента Холла вблизи p-n-конверсии в нейтронно облученном Ge возникают из-за n- и р-слоев, которые образуются вследствие компенсации исходных слоев роста радиационными дефектами при облучении n-Ge.

Ключевые слова: нейтронно трансмутационно легированный германий, радиационные дефекты, изохронный отжиг, моноизотопные кристаллы, эффект Холла, концентрация носителей заряда.

ABSTRACT

Karas’ M.I. Investigation of influence of radiation-induced defects on electrical properties of neutron transmutation doped germanium (manuscript).

Thesis on search of a scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.07 - solid state physics.- Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2000.

In the thesis have been carried out experimantal research of the formation and annealing on radiation-induced defects of NTD natural Ge and monoisotopic 70Ge, 74Ge crystals. It was shown that the defect introduction rate increased with an increase in initial donor impurity concentration. Three annealing stages were observed. The annealing of two stages was found to be dependent on the concentration and type impurity. It is shown, that the radiation-induced defect - VD complex in the NTD Ge(As) has a deep acceptor level in the middle of the band gap (E=0.40.02 eV). Comparative analysis of the behaviour of the dopant species created by the NTD process namely Ga and As in the Ge with natural isotopical composition and in the monoisotopical crystals (70Ge, 74Ge) has shown electrical activation of the Ga and As in the unannealed NTD Ge. Using the analysis of existent experimental data the model is developed, which show the role of donor of the Group V in procceses of creating defects and transmutation doping. It is established, that the cause of Hall coefficient anomaly near p-n-conversion in NTD Ge is creating n- and p-layers due to compensation initial layers by radiation-induced defects.

Key words: neutron transmutation doped germanium, radiation-induced defects, annealing, monoisotopical crystals, Hall effect, charge carrier concentration