Электрофизические и тензоэлектрические свойства InSb и GaSb, облученных электронами, протонами и нейтронами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

□ОЗ

На правах рукописи

Каменская Ирина Валентиновна

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕНЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1п8Ь и СаБЬ, ОБЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОНАМИ, ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 5 ОКТ 2007

Томск - 2007

003163025

Работа выполнена в ОСП «СФТИ Томского государственного университета» и ГОУ ВПО «Томский государственный педагогический университет», г Томск

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Брудный Валентин Натанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Криворотое Николай Павлович,

ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов»,

доктор физико-математических наук, профессор Давыдов Валерий Николаевич,

ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Ведущая организация- Филиал ФГУП «Научно-исследовательский

физико-химический институт им. ЛЛ. Карпова», г. Обнинск

Защита диссертации состоится «14» ноября 2007 г в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д212 269 02 при ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» (634050, г Томск, пр Ленина, 30)

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета (634034, г Томск, ул Белинского, 55)

Автореферат разослан « 10 » октября 2007 г

Ученый секретарь /^// Д-р ф -м н, профессор

диссертационного совета Д212 269 02 ' МВКоровкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Соединения на основе сурьмы - InSb и GaSb - являются представителями полупроводников группы III—V, характерной особенностью которых являются малые значения ширины запрещенной зоны, высокие значения спин-орбитального расщепления валентных зон Aso, большие значения подвижности электронов, высокие значения барических коэффициентов ширины запрещенной зоны, низкие температуры плавления Основной областью использования InSb и GaSb является производство датчиков Холла, фотоприемников среднего ИК-диапазона, включая устройства на основе квантовых точек InSb/GaSb, туннельных диодов, датчиков давления, а также применение данных материалов в твердых растворах полупроводников с близкими значениями постоянной решетки - AlSb, InAs

Полупроводники (In,Ga)-Sb получают в виде объемных кристаллов, эпи-таксиальных пленок и нитевидных микрокристаллов («усов») Предполагается, что собственные несовершенства структуры - вакансии и антиструктурные дефекты - в антимонидах являются фактором, от которого в сильной степени зависят свойства материала Так, особенностью GaSb является р-тип проводимости ростового материала, и для получения материала и-типа проводимости необходима его перекомпенсация примесями донорного типа Поэтому исследованию собственных дефектов в облученных InSb и GaSb уделяется особое внимание, что определяет актуальность данной работы

Облучение высокоэнергетическим частицами (электронами, ионами, нейтронами) может быть использовано как для контролируемого введения собственных дефектов решетки с целью их последующего изучения, так и в методах радиационной технологии - ионном и трансмутационном легировании полупроводников Этим вопросам и посвящена данная работа

Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование влияния высокодозового электронного, протонного и нейтронного облучений на электрофизические и тензоэлектри-ческие свойства соединений (In.Ga)-Sb, выявление химических закономерностей изменения электрофизических свойств данных соединений при радиационном воздействии, изучение термической стабильности радиационных дефектов (РД)

Конкретными задачами исследования являлись - определение «предельных» электрофизических параметров и «предельного» положения уровня Ферми F, в облученных кристаллах InSb и GaSb,

- выявление связи «предельных» электрофизических характеристик и Р,

с особенностями зонного энергетического спектра соединений 1пБЬ и СаБЬ,

- исследование облученного ваБЬ в условиях гидростатического сжатия с целью получения информации об особенностях формирования состояний радиационных дефектов,

- изучение термической стабильности радиационных дефектов в 1пБЬ и ваБЬ в области температур (20-500) °С

Объект исследований

Объектом исследования являются объемные кристаллы 1пБЬ и ваБЬ пи р-типа проводимости, полученные методом Чохральского, ядерно-легированные кристаллы л-1п5Ь и нитевидные микрокристаллы и-1п5Ь(5п), полученные методом свободной кристаллизации из газовой фазы, облученные электронами интегральными потоками до 1х1019см~2, протонами до 2х1016см 2 и быстрыми нейтронами до 3 1х1016 см-2

Научная новизна результатов работы

1 Обнаружено явление закрепления уровня Ферми в «предельном» положении Р11т в облученных большими интегральными потоками электронов, протонов и быстрых нейтронов кристаллах 1п5Ь и СаБЬ и выявлена связь величины Г1]т с особенностями энергетического спектра данных соединений В основу анализа экспериментальных данных положен принцип физико-химических аналогий, используемый при описании свойств материалов с родственным типом химических связей

2 Установлена чувствительность удельного сопротивления облученных электронами кристаллов СаБЬ к гидростатическому сжатию при изменении энергетического положения уровня Ферми в пределах запрещенной зоны материала вследствие различного исходного уровня легирования и дозы облучения

3 Определено условие высокой устойчивости электрофизических свойств микрокристаллов 1п5Ь(5п) при реакторном облучении

4 Обнаружены стадии отжига радиационных дефектов в интервале температур (20-500) °С в облученных электронами и протонами кристаллах 1пБЬ и Са5Ь различного исходного типа проводимости и уровня легирования

Практическая значимость работы

Представленные в работе результаты исследований электрофизических свойств облученных электронами, протонами и быстрыми нейтронами соединений InSb и GaSb, данные по чувствительности облученных электронами кристаллов GaSb к гидростатическому сжатию и данные по термической стабильности радиационных дефектов в этих соединениях могут быть использованы при разработке методов ионного и трансмутационного легирования данных полупроводников, при радиационном модифицировании свойств (изменении удельного сопротивления, типа проводимости) данных материалов, при разработке сенсоров давления, при прогнозировании стойкости соединений InSb и GaSb к воздействию высокоэнергетического облучения

Результаты исследований, вошедших в данную работу, получены при исполнении ГБ НИР по заказ-нарядам Министерства образования РФ, хоздоговорам с предприятиями Министерства химической промышленности СССР и проекта МТЦ №1630 «Радиационностойкие полупроводники»

Научные положения, выносимые на защиту

1 При облучении в InSb и GaSb вводятся радиационные дефекты как донор-ной, так и акцепторной природы, эффективность влияния которых на электрофизические свойства данных соединений определяется уровнем легирования и типом проводимости исходного материала

2 Облучение InSb и GaSb приводит к стабилизации (закреплению) уровня Ферми в «предельном» (стационарном) положении Flim вблизи потолка валентной зоны кристалла независимо от вида облучения и типа исходного материала

3 Радиационные дефекты являются сильно локализованными («глубокими») состояниями, в формировании которых участвуют энергетические состояния всей зоны Бриллюэна кристалла

4 Радиационные дефекты, как и термодефекты, в InSb и GaSb ответственны за р-тип проводимости материала Образование радиационных дефектов донорного и акцепторного типов при облучении InSb подтверждается многократной п —> р —> п —> р конверсией типа проводимости при отжиге в интервале температур (20-500) °С

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на XII Международной конференции «Radiation physics and chemistry of inorganic materials» (Томск, Россия, 2003 г), VIII Российской конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые

соединения группы III—V (GaAs-2002)» (Томск, 2002 г.), VIII Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, Россия, 2001 г), VII Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах (Кемерово, Россия, 1998 г), II Всесоюзном семинаре «Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках» (Павлодар, 1989 г), XIV семинаре «Взаимодействие радиационных и термических дефектов в полупроводниках» (Киев, 1988 г), XIII семинаре «Радиационная физика полупроводников» (Новосибирск, 1987 г)

Публикации

По тематике диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых научных журналах Физика и Техника Полупроводников (3), Physica Status Solidi (1), Известия вузов Физика (2) и 5 тезисов докладов на научных конференциях В опубликованных работах автору принадлежат результаты, отображенные в выводах диссертации

Личный вклад автора

Диссертационная работа - результат многолетних исследований автора, часть из которых выполнена лично автором, а часть совместно с сотрудниками отдела физики полупроводников «СФТИ ТГУ» (г. Томск) Автором проводилось планирование эксперимента, подготовка образцов для облучения, измерение свойств образцов до и после облучения и обработка экспериментальных данных Автору принадлежит существенная часть результатов, опубликованных в совместных с другими исследователями работах, относящихся к анализу полученных данных, их обобщению и выводам

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения и содержит 104 страницы, включая 50 рисунков, 11 таблиц и список цитируемой литературы из 73 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указана новизна полученных результатов, перечислены защищаемые положения, приведены структура и содержание диссертации

Первая глава содержит анализ литературных данных по исследованию свойств соединений 1пБЬ и СаБЬ, облученных высокоэнергетическими части-

цами - электронами, протонами и быстрыми нейтронами Показано, что до настоящего времени нет однозначного ответа на то, как изменяются электрофизические свойства кристаллов ¡пБЪ при различных условиях облучения, неизвестны его «предельные» электрофизические характеристики после облучения Так, облучение гамма-квантами или электронами с Е = (1-2) МэВ при низких температурах в 1п8Ь формирует материал р-типа проводимости, в то время как различные виды облучения при Т » 300 К, а также облучение 1пБЬ быстрыми нейтронами или электронами высоких энергий при любых температурах формируют материал п-типа проводимости Не выполнены исследования влияния протонного облучения на электрофизические свойства ваБЬ Не исследовался отжиг радиационных дефектов при температурах выше 300 К в кристаллах ГпБЬ, облученных электронами и протонами Для Са5Ь не были выполнены исследования электрофизических свойств в условиях высокодозового облучения - электронного до 1х1019 см'2 и протонного до 2х1016см 2 Не изучались РД в условиях гидростатического сжатия Не получило объяснения почему соединения (1п, Са)-БЬ после облучения приобретают р-тип проводимости, в то время как соединения Ш-(Н, Р, Ав) я-тип проводимости или становятся высокоомными после высокоэнергетического облучения

В заключении к главе 1 сформулированы цель и задачи исследований Во второй главе представлены исходные параметры и характеристики исследуемых материалов 1п5Ь и СаБЬ, методика приготовления образов и измерения их параметров, условия облучения образцов электронами, протонами и реакторными нейтронами, методика отжига облученного материала Для исследований использованы следующие материалы

1) я-1п5Ь (ИСЭ), выращенный методом Чохральского, легированный Те в процессе роста, ядерно-легированный ГпБЬ (ЯЛИС) с примесью Бп, полученной за счет ядерной реакции 1п—уБп, р-ГпБЬ (ИСД), легированный акцепторной примесью Хп, нитевидные микрокристаллы и-ГпБЬ, полученные методом свободной кристаллизации из газовой фазы, легированные примесью Бп

2) м-СаБЬ, выращенный методом Чохральского, полученный перекомпенсацией ростового материала за счет легирования донорной примесью Те, а также образцы р-СаБЬ специально нелегированные и легированные акцепторной примесью Ъп

Облучение образцов вблизи 300 К проводилось (1) электронами с Е = 1 МэВ на ускорителе типа «ЭЛВ-2» (ФГУП «НИФХИ им Л Я Карпова», г Обнинск), (2) электронами с Е я 2 МэВ на ускорителе типа «ЭЛУ-4»

(ИФ HAH Украины, г. Киев); (3) протоками с энергиями 5 и Ш МэВ на циклотроне ИЯФ ТПУ г. Томск; (4) нейтронами со средней энергией ~ 1.5 МэВ на импульсном реакторе ИБР-2 (лаборатория нейтронной физики ОИЯИ, г. Дубна).

Толщина образцов (d) [nSb и GaSb для облучения протонами выбиралась на основании известных значений проецированных пробегов (Zip) протонов с энергиями 5 и 10 МэВ и GaAs (135 мкм и 422 мкм, соответственно) с использованием формулы Брэгга-К лимана;. Обработка электрофизических параметров проводилась с учетом биполярной проводимости в случае InSb и в 3-х зонном приближении с учетом близкого расположения Г[С - и ^-минимумов зоны проводимости для GaSb.

Изохронный и изотермический отжиг исходного и облученного материалов проводился в температурном интервале (20-Süü) "С.

В третьей глаке представлены результаты экспериментальных исследований электрофизических свойств и отжига кристаллов InSb, облученных электронами (Е ~ 1 МэВ), протонами ( Е = 10 МэВ) и реакторными нейтронами {£= 1.5 МэВ).

D, с м 2

Рис. I. Зависимость концентрации носителей заряда от интегрального потока электронов МэВ) в образцах 1п8Ь с различными исходными свойствами. Т ~ 77 К

Облучение электронами вблизи 300 К приводит к уменьшению плотносгм дырок и р-п конверсии типа проводимости р-1п5Ь, а в и'-ГпКЬ концен трация свободных электронов уменьшается и стремится к общему для всех материалов значению п * (2x10^7x10^) см 5 {77 К) (рис. Г), что соответствует

смещению уровня Ферми (р) в положение Е( - (0.029+0,037) зВ, Ядерно леги роьанный при облучении электронами ведет себя подобным образом, не проявляя каких-либо особенностей. При облучении протонами изменения постоянной Холла II аналогичны электронному облучению - плотность свободных электронов во всех исследованных образцах также стремится

рис. 2. Зяйисамасшь постоянной ХолЛв от интегральной» потоки протонов (Е= 10 МэВ) в 1п$Ь с различными исходными свойствами. 77 К

Сравнение скоростей удаления свободных носителей при облучении 1п8Ь показывает, что ионы ЬГ (10 МэВ) приблизительно в 104 раз эффективнее электронов (1 МэВ).

Обнаружен участок «аномальной» зависимости на кривых /^(П) при протонном облучении - уменьшение при дозах Г) > 5х Ю'5 см-2 вследствие проявления прыжковой проводимости по «дефектной» зоне, расположенной вблизи уровня Ферми (0.029+0.037) эВ.

Проведено исследование электрофизических свойств нитевидных микрокристаллов («усов») а-ЬзйЗЬ£§1\) с п(1 = (5.7х10'6+1.4x10'"} см"3, облученных реакторными нейтронами потоками до 3.1x10* ем 1 При таком облучении происходят два противоположных процесса: (I) - компенсация исходной проводимости Й-1п8Ь за счет захвата свободных электронов РД акцепторной природы, тем белее эффективная, чем выше уровень исходного легирования материала; (2) - легирование Гп5Ь донорной примесью 5п1п за счет реакции 1п—

эффективность которой не зависит от уровня легирований исходного материала. Задачей эксперимента являлось определение условия Дn/D г; 0 см 1 путем выбора уровня легирования исходного и-InSb. Бьгяо показано, что скорость введения свободных электронов за счет легирования InSb примесью Sn при реакторном облучении составляет —(0.7—0.9) см-', что позволяет подобрать исходный уровень легирования материала п. - 6,4x10'7 см \ для которого An/D< 1% ори D< j.Ix-jO!i'CM"*'. Эти исследования тюслужпди базой для разработки генераторов Холла на основе «усов» InSb, которые могут работать в условиях ЬыоШоэнергешческого воздействия - в ядерной физике, околоземном пространстве.

Результаты изменения удельного сопротивления при 77 К для различных типов облучения - электронного (1 М:>В), протонного (10 МэВ), облучения быстрыми или реакторными нейтронами для InSb «-типа (светлые значки) и р-тнпа (темные значки) проводимости суммированы на рис. 3.

6 н

-УЛ............. ...............1 11

ю12 ю[э iou Iо" ю1в

Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления от интегрального потока в InSb, облученном различными (Щсокоэнергетическимц частицами. Д - n-lrtSb, Ж - p-lnSb 1, 2, 3 - быстрые нейтроны; 4 - реакторные нейтроны; 5, 7 - зяехтроны; 6, 8 - протоны

Эти данные доказывают, что при облучении электронами и протонами изменение р идентично, а облучение реакторными или быстрыми нейтронами приводит не только к образованию РД, по и к легированию материала вода род о подо б и ой примесью Ял за счет реакции 1п->8п, что проявляется в уменьшении удельного сопротивления Ь^Ь при больших потоках нейтронов.

Проведенные исследования температурных зависимостей К ('Л в облученных образцах выяиляют энергетический уровень вблизи Щс - 0.03 эВ, что близко «Предельному» положению 1;,|п! ~ К(: •• (0.029^0.037) эВ в облученном ]пйЬ и совпадает с уровнем ловушки электронов - 0.032 эВ - единственного дефекта, зафиксированного емкостными измерениями в облученном электронами (Е=2 МэВ) н-ГпйЬ [1].

Рис. 4. Зависимость постоянной Холла от температуры изохронного отжига в обнучеинам 11СЭ-14. Т^ = 77 К. 1 - исходный; электроны (Е= 1 МэВ): 2-1) = 6хЮпсм \ 3 -О = 1.7x10'* см \ 4 -0=3,8х10'*см-!; протоны (Еа10 МэВ): 5-0 = 1x10''' см Л - п-тип и А- р-тип проводимости

В интервале температур (20-500) "С исследована термическая стабильность облученных электронами (1 МэВ) и протонами (10 МэВ) образцов 1л5Ь, Выявлены характерные стадии отжига РД: I - преимущественный отжиг дефектов «опорного типа вблизи (80^300) "С, что приводит к п-р конверсии типа проводимости электронного материала (рис.4); 2 - отжиг дефектов

100 200 Ш 400 500

г /с

акцепторного типа вблизи (300+380) °С, вызывающий смещение Г в верхнюю половину запрещенной зоны, вследствие чего наблюдается р-п-конвеосия типа проводимости; 3 - образование термоакцепторов при Т > 300 "С, приводящее к формированию материала р-тпи проводимости как в исходных, так и в облученных образцах при Ттж = (430+450)11С.

В четвертой главе представлены результаты исследования электрофизических и те из о электрических свойств Са5Ь, облученного электронами (Её2 МзВ) и протонами (Е=5МэВ). Облучение электронами приводит к и->р конверсии типа проводимости в п-Са5Ь, а в случае исходного р++-Са$Ь плотность дырок при облучении уменьшается. При этом уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны в положение близкое Р1[т = + 0.01 эВ, соответствующее значению предельной концентрации дырок р[[щ ~ 2,5x10'" см'3 при 300 К (рис. 5). Облучение ионами Н* приводит к аналогичным изменениям электрических параметров СаЙЬ (рис. б). С увеличением дозы облучения ионами Н" концентрация дырок во всех материалах стремится к «предельному» значению около р, ж 2.5х 101" см-3 (300 К) как и при электронном облучении.

Рис. 5, Зависимости концентрации носителей заряда и положения уровня Ферми от интегрального потока электронов (Е = 2 МзВ) б Сй5Ь, Т!>г- 300 К, 1 - п;

2,3-р; 1*. 2* - Г. и Г-п =1.56x10» см3; 2, 2+- р =3.3x10" см 3

Таким образом, при облучении электронами и ионами независимо от исходных характеристик, Са5Ь всегда приобретает р' (ри = 2х 10|я см 3 (300 К))-гип проводимости, что соответствует р1щ=(4+5)-Х_] 0Омхсм (300 К) и р ~ (0.5+1) Омхсм (77 К). Уровень Ферми в результате облучения закрепляется в «предельном» положении ^ вблизи Еу + 0.01 эВ (300 К).

П, см'

ег

Рис. 6. Зависимость постоянной Холла от интегрального потока покое Н" (Е 25. 5 МэВ) в Се>8Ь с различными исходными свойствами. Т = 300 К. I -п =2.Ш1017 а,г3; 2 -п=(6+7)х!0'7см:1; | - р =3.3х)0<7 см-4 - р =1.9x10"см *.

Исследование температурных зависимостей электрических параметров облученных образцов позволили оценить энергию активации глубокого уровня около Щ + 0.1 зВ (рис, 7).

Ю'/'У. К'!

Рис. 7. Зависимость постоянной Холла от температуры в п-ОаЗЬ, облученном ионами Н* (Е£5МэВ). п=(6+7)х10'" см~3. Кривым соответствуют О~(О.05; 0.6; 1; 3; 6; 10; 20; 40; 200)х10мсм-2

и

Проведено исследование РД в условиях всестороннего сжатия (Р) в ваБЬ, облученном электронами Выбором исходного материала и дозы облучения исследована величина р(Р) как функция положения Р в запрещенной зоне ваБЬ Удельная проводимость (р(Ц))-1 облученного образца и коэффициент ар = с/ (1п с учетом электронной стп> дырочной стр и прыжковой сткп

проводимостей можно записать в виде

р (£»)"'=а„(£>)+аД0)+0/г0 (О)

ад , ,__

р 1 + р/яй 1 + пЫ р 1 + ст /а + а /а

^ ^ п! ко Р! яо

где

а„ =-Э(1пап)/аР, ар =-а(1пар)/аР, = -д(1паяд)/дР, ¿> = ця/цр = 5,5 В и-Са8Ь величины (п))р, а„))ар) ар=а„ и аналогично для р-ваБЬ ар = а^,член а„ = (у„ /¿Г)-д(1пис)/дР-д(1пц„)/дР,

где Л/с - плотность состояний на дне зоны проводимости, у„ = 8 (Ес - F)/дР -коэффициент изотермического изменения положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости (Ес) с изменением давления (барический коэффициент) Коэффициент 5(1п Ыс)/дР ~ 0 5х10~бэВ/бар, а вклад члена о(1п цп)/ЭР в величину ап также мал [2] Аналогичный анализ проведен для члена ар Исследования «переоблученных» образцов показали, что и членом стш и (1-2)х10~5 бар1 также можно пренебречь Это позволяет оценить величины уп и ур (барические коэффициенты для энергетических зазоров между уровнем Ферми и ближайшими экстремумами зоны проводимости и валентной зоны, соответственно) из приближенного выражения

Гпу Уп/кТ УР/кТ аР{0)~1 + р/пЬ 1 + пЬ/р

Экспериментальные данные исследований электрических свойств в условиях всестороннего сжатия в облученном электронами ваБЬ представлены на рис 8

Эти данные выявляют область высокой чувствительности р к давлению при (Ес > Р > Е^2) Максимальное значение ар (Р)« 3 1х10~4 бар-1 достигается при облучении п-СаБЬ и соответствует уп = 8 05х10~6 эВ/ бар, а при п—» р* - конверсии типа проводимости величина ар (Р) уменьшается до значения ~ 5x10"6 бар1 как и в исходном р-ва5Ь С учетом близкого расположения ГК-

и £, -минимумов зоны проводимости и (1(АЕ11)/ИР = {7.4-5-10.0) х 1 () '' зВ/бар, следует учесть парциальный вклад Г№.~ и 1б(..-экс трем умов зоны проводимости в величину о.., из выражения (у= (уг + 4у, )/5, здесь у, и у, - барические коэффициенты для межзонных зазоров (Гн.- Г ) и (Ь^,- Г№.), соответственно. Усреднение V, выполнено с учетом статистических весов 1'6С- и I,..-экстремумов по аналогии [3]. Используя известные значения у, = 14x10^ эВ/бар и у( =6.6x10 6 эВ/бар для этих зазоров, получаем величину <ун>28.1хШ"6эВ/бар, близкую к экспериментальным оценкам. Отсюда следует, что в пределах точности эксперимента и численных оценок барические коэффициенты уровней РД в ваБЬ относительно дна зоны проводимости близки средневзвешенному значению коэффициентов давления зазоров (Г -Г^) и что является

характерным признаком «глубоких» уровней [4]. Наличие областей высокой (Е(.< И£Е/2) и низкой (£/2 > I7 чувствительности р к всестороннему сжатию позволяет предположить^ что уровни РД в условиях гидростатического сжатия практически не изменяют своего положения относительно потолка валентной зоны и СаЗЬ. Можно отметить что выполненные позднее измерения барического коэффициента в облученном электронами />4пйЪ также выявляют «закрепление» уровней РД относительно потолка валентной зоны[5^

--^_I__,_1_. ^_I______I

Е 0,2 0,4 0,6 0,8 ЛэВ

Рис. 8- Зависимости коэффициентов т ензо чувств и тех ьнос т и у и давления а от положения уровня Ферми в облученном электронами 2 МэВ) СаЗЬ.

С целью исследования термической стабильности РД были проведены изохронный и изотермический отжиги облученных электронами (Е=2 МэВ) образцов Са5Ь. В слабо облученных образцах «-Са8Ь выявлены стадии

преимущественного отжига акцепторных дефектов: I - (180-270) ПС и II -(30Ск-350) °С, В слабо облученном p-GaSb наблюдается 4 стадии отжига: / - (80+180) "С и 11 - (180+250)"С - отжиг доноров и акцепторов, III - (280-г320) "С - акцепторы и IV - (320-380) "С - доноры. Результаты исследования влияния термообработки на электрические параметры сильно облученного л-GaSb представлены на рис. 9.

0 100 200 300 400

т /с

ртж

Рис, 9. Кривые изохронного отжига постоянной Холпа, удельной проводимости и величины |Нн|х<7 в сильно облученном электронами МэН) п-С1а$Ь. п=1.56х.10'7 <мг\ и=1.35*10асм-К Тт=ЗООК: 1-2 - о, 3 - |Кн|хо; 7^=77 К: 4 - |Й„|

В исходном п-СаЯЬ, претерпевшем в результате облучения конверсию типа проводимости, отжиг дефектов начинается при температурах около 80 "С и при отжиге до 400 "С электрические параметры близки к исходным, причем обратная р-и-конверсия происходит при Т. ж 280 "С,

Таким образом, облучение электронами и ионами Н1 приводит к компенсации исходной проводимости р' '-Са5Ь и я-/>-конверсии образцов и-типа проводимости, что обусловлено одновременным образованием в ОаЭЪ РД как донорного, так и акцепторного типов. В результате облучения материал всегда приобретает р1'-тип проводимости независимо от исходных характеристик с «предельной» концентрацией дырок р( = 2.5>< 10'® см', что соответствует закреплению уровня Ферми в «предельном» положении вблизи Еу + 0,01 эВ (300 К) и ¿'у - 0.01 эВ (77 К). Выявлена область высокой чувствительности (£с > Е > 2) электросопротивления облученного СаЙЬ к всесто-

10'

10'

роннему сжатию, обусловленная «закреплением» уровней РД относительно потолка валентной зоны кристалла

В пятой главе проведено обсуждение экспериментальных результатов Отмечено, что при облучении 1пБЬ и ваБЬ вводятся дефекты как акцепторной, так и донорной природы, эффективность влияния которых на электрофизические свойства зависит от уровня легирования и типа проводимости исходного материала Рассмотрены модели для оценки предельного положения уровня Ферми в облученных ГпБЬ и СаБЬ

В качестве первого приближения при оценке ЕЬт взято значение [2] Е, = Д. = £(Г„) - <Е. >Г

ит п х 8\' п

где <£ь> = (£ЬА + £„<■)/2), а Ек = (£ + ЗЕ)/4

£(Г „) = (£А + £с + Х+А)/2- [(ЕА-ЕС + Х+Х )2/4 + V 2]ш

у 8\" 4 р р А С 1 Р Р А С7 та -1

здесь Е5 и Ер энергии 5- и р-орбиталей анионов (А) и катионов (С), соответственно, Е)1 - средняя энергия гибридной связи

При оценках учтен вклад спинорбитального расщепления р-состояний аниона ХА = А50а/3 и катиона Ас = А50(73 [6] в величину Аь Здесь, Ухх = Ах\\2/4к2тсР, - эмпирический матричный элемент межатомного взаимодействия равный 2 16 для орбиталей Хермана-Скиллмана (ХС) и 1 28 - для орбиталей Хартри-Фока (ХФ) [7] Хотя оценочные значения Аьхфи Аьхс (табл 1) не точны, они воспроизводят «химические» тенденции изменения положения Е, в исследованных материалах В табл 1 также представлены значения «нейтральной» точки кристалла, отождествляемой с величиной Е, в облученных полупроводниках, рассчитанной в рамках различных эвристических моделей амфотерного дефектного уровня Е [8], наиболее «глубокого» уровня Е[ш[ [9] и энергетического уровня <£(>/2 [8,10], где <ЕС> - средний энергетический интервал между нижней зоной проводимости и верхней валентной зоной в пределах первой зоны Бриллюэна кристалла (средняя изотропная энергетическая щель)

Таблица 1

РасчетныеЕд, Дхф, Дхс, Е№1[8], ЕШ1_[9], <Ес>/2[10], <Е|>[11] и экспериментальные ^ значения в 1п5Ь, СаБЬ, А15Ь Данные для Р1|гл в АБЬ взяты из [12] Отсчет значений относительно уровня Г8\/ (эВ)

Соединение Еа Р|1т йхф йхс ЕА01. Е001. <Е0>/2 <!Ч>

1п5Ь 024 ООО -012 048 012 017 005 022

йаБЬ 082 001 -017 059 014 024 000 034

А1БЬ 15 05 -004 077 047 063 045 0 56

Кроме того, в Табл. 1 представлено расчетное положение уровня зарядовой нейтральности <Я;> для простейших дефектов - вакансий и антиструктурных дефектов в ТйЗЪ, Оа5Ь и АВЬ [,11]. Все эти данные показывают, что положение определяется не Характером Р", а зонным спектром кристалла. Поэтому причиной /.»-типа проводимости облученных 1пКЬ, СаБЬ и А15Ь является особенность их энергетического спектра, а именно большая величина Д^о по сравнению с другими полупроводнмками группы Ш-У. Это приводит к «уменьшений»» минимальной ширины запрещенной зоны в соединениях Ш-ЭЬ за счет сдвига потолка валентной зоны вверх как это схематически показано на рис. 10.

Рис, 10. Энергетические диаграммы 1п8Ь, СаЯЬ и Л!5Ь, «сшитые» относительно Р^' и построенные с учетом и без учета А,.(

Если бы в соединениях Ш-ЭЬ неличина Дко = 0 эВ, тогда эффективная ширина запрещенной зоны составила бы - 0.52 эВ для 1п5Ь, ~1.04эВ для Са8Ь и ~ 1.9 эВ для А1ВЬ, что будет соответствовать вблизи 0.28 эВ для 1п$Ъ, ~ 0,22 эВ для ва5Ь и ~ 0.72 эВ для Л1ЭЬ и, с лодовательно, высокому сопротивлению облученного материала, как и в других соединениях

' *

группы [II-V.

Гидростатическое сжатие использовано для получения информации о характере состояний РД, Известно, что для «глубокого» состояния основной эффект всестороннего сжатия сказывается в характере изменения энергетического зазора между уровнем дефекта м энергетическими зонами полупроводника. При малых всесторонних давлениях Р изменение энергического положения уровня дефекта Е.

Оа5Ь

А15Ь

£(Р) = £(0)+у'хР

Параметр у1 характеризует локальное примесное (дефектное) состояние, поскольку в нем заложена информация об участии различных энергетических зон полупроводника в формировании данного состояния Для «глубокого» состояния в случае решетки можно записать следующее соотношение [3]

У * [у(0 + Зу(Х) + 4у(1)]/8,

где у (Г). у(Х) и 7(1) - барические коэффициенты межзонных зазоров в точках Г,Х и Ь В наших исследования измерялась чувствительность электросопротивления к всестороннему сжатию в зависимости от положения уровня Ферми в облученном кристалле Са5Ь Используя известные значения деформационных потенциалов для межзонных зазоров в 1п5Ь, СаБЬ и А1БЬ [13], можно оценить барические коэффициенты зонных экстремумов Гк, Гну Х6С, Х7У> Ььс и 145у) а также средней зоны проводимости <£св>. средней валентной зоны <£ув> и <ЕС>12 относительно вершины валентной зоны кристалла (табл 2)

Таблица 2

Расчетные значения барических коэффициентов (эВ/бархЮ6) для средней зоны проводимости у <£св>, средней валентной зоны у<£ув>, и середины средней изотропной энергетической щели у (<Е0>/2) относительно уровня Г8/ а также барический коэффициент средней изотропной энергетической щели у<Сс> в 1пБЬ, йа5Ь и А№

Соединение Г<ЕСВ> Г<Е™> у(<Ес>/2) /<Е6>

(п5Ь 246 -449 -101 6 95

Са5Ь 2 55 -413 -079 668

А15Ь 251 -289 -019 5 40

Полученные оценки у (<Ес>/2) близки к измеренным величинам у(Р,1т) в облученных кристаллах СаБЬ [4] и данным по исследованию барического коэффициента электросопротивления облученного р-ЫБЬ [5] Это указывает на то, что уровни РД в ГпБЬ и СаБЬ «закреплены» относительно вершины валентной зоны кристалла, что обусловлено значениями деформационных потенциалов соответствующих зонных экстремумов для соединений группы III-V и показывают, что РД в полупроводниках являются «глубокими» состояниями

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1 При облучении 1пБЬ и ваБЬ вводятся радиационные дефекты как донор-ной, так и акцепторной природы, эффективность влияния которых на электрофизические свойства полупроводника определяется уровнем легирования и типом проводимости исходного материала Радиационное модифицирование является процессом самокомпенсации полупроводника Эта компенсация тем более точна, чем выше доза облучения и ниже уровень исходного легирования материала химическими примесями

2 Облучение приводит к закреплению уровня Ферми в «предельном» положении Р, вблизи потолка валентной зоны в соединениях ГпБЬ и СаБЬ, что обусловлено особенностями энергетических зонных спектров данных полупроводников, а именно, высокими значениями спин-орбитального расщепления их валентных зон по отношению к величине минимальной запрещенной зоны Это приводит к «выталкиванию» потолка валентной зоны в направлении уровня Р, , что и определяет р-тип проводимости облученного материала

3 Выявлена область высокой (Ес < Р <Е^/2) и низкой (Е^/2 > Е > Еу) чувствительности удельного сопротивления р к всестороннему сжатию в облученном электронами ваБЬ, что является следствием «закрепления» уровней РД относительно потолка валентной зоны в данном соединении Это предполагает, что РД являются сильно локализованными («глубокими») состояниями независимо от их расположения в запрещенной зоне кристалла, в формировании которых участвуют энергетические состояния всей зоны Бриллюэна полупроводника.

4 При нагреве облученных образцов 1пБЬ и СаБЬ в интервале температур (20-500) °С обнаружены стадии отжига дефектов донорного и акцепторного типов При этом отжиг облученного 1пБЬ выявляет многократную п->р—>п->р конверсию типа проводимости вследствие последовательного смещения уровня Ферми к краям запрещенной зоны материала при селективном отжиге радиационных доноров и акцепторов

5 Установлено, что радиационные дефекты, как и термодефекты, в кристаллах 1пБЬ и ваБЬ ответственны за р-тип проводимости материала, а в случае СаБЬ такими свойствами обладают и ростовые дефекты Такие особенности

соединений (In,Ga)-Sb обусловлены тем, что их «нейтральная» точка, тождественная уровню F[im, располагается вблизи потолка валентной зоны данных соединений, что обуславливает высокую эффективность образования собственных дефектов с энергетическими уровнями в нижней половине запрещенной зоны кристалла

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1 Большакова И А , Бойко В.М., Брудный В H , Каменская И.В.. Колин H Г, Макидо Е Ю , Московец Т А , Меркурисов Д И Влияние нейтронного облучения на свойства нитевидных микрокристаллов я-InSb // Физика и Техника Полупроводников -2005 -Т39,в 7-С 814-819

2 Брудный В H , Бойко В M , Каменская И.В.. Колин H Г Электрофизические характеристики и предельное положение уровня Ферми в InSb, облученном протонами// Физика и Техника Полупроводников - 2004. - Т. 38, в 7-С 802-807

3 Брудный В H, Каменская И.В. Исследование радиационных дефектов в полупроводниках в условиях всестороннего сжатия // Физика и Техника Полупроводников - 1999 - Т 33, в 11 - С 1290-1294

4 Брудный В H , Каменская И.В.. Колин H Г Электрофизические свойства InSb, облученного электронами при 300 К II Известия вузов Физика -1991 -Т 34, №7 - С 99-103

5 Brudnyï VN , Kamenskava I.V. The Electrical Properties and Fermi Level Pinning m Proton-Irradiated GaSb II Phys Stat Sol (a) - 1988 - V105 -P К 141-K144

6 Брудный В H , Каменская И.В. Электрофизические свойства антимонида галлия, облученного ионами водорода // Известия вузов Физика Деп в ВИНИТИ, №104-В88 - 1988

7 Большакова И А , Брудный В H , Каменская И.В.. Колин H Г Образование радиационных дефектов в InSb при облучении высокоэнергетическими частицами // 12,h Intern conf on radiation physics and chemistry of inorgamc materials - Tomsk, Russia, (23-27) Sept, 2003 - P 235-239

8 Брудный В H, Каменская И.В.. Колин H Г Влияние облучения ионами водорода на электрофизические свойства металлургически и ядерно-легированного InSb // Материалы 8-й Российской конф «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III—V (GaAs-2002)» - Томск, (1-4) октября 2002 - С 256-258

9 Каменская И.В. Радиационные дефекты в антимониде галлия // Материалы 8-й Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» - Кемерово, (9-12) октября 2001 - Ч 1 - С 54-55

10 Брудный В H, Каменская И.В. Радиационная модификация свойств антимонида галлия // Материалы 7-й Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах - Кемерово, (6-9) октября 1998 - Ч II - С 18-19

11 Брудный В H , Каменская И.В.. Колин H Г Электрические свойства силь-нооблученного InSb // Материалы 2-го Всесоюзного семинара «Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках» Академия наук СССР, Павлодар -1989 - Ч 2 - С 140-144

Список цитируемой литературы

1 Koumitzi S D Evidence of a radiation induced defect level in «-type InSb // Sol State Commun - 1987 - V 64 № 8 - P 1171-1173

2 Брудный В H Радиационная модификация и дефекты некоторых алмазо-подобных полупроводников сложного состава // Дис на соискание ученой степени доктора физико-математич наук Томск ТомГУ, 1993 - 383 с

3 Эварестов РА Квантовохимические методы в теории твердого тела - Л ЛГУ, 1982 - 279 с

4 Брудный В H Исследование радиационных дефектов в полупроводниках в условиях всестороннего сжатия // Физика и Техника Полупроводников -1999 -Т 33 Вып 11 - С 1290-1294

5 Брандт H Б , Дмитриев В В , Ладыгин Е А, Скипетров Е П Влияние давления на электрофизические свойства антимонида индия р-типа, облученного электронами // Физика и Техника Полупроводников - 1987 - Т 21 Вып. 3-С 514-520

6 Chadi D J. Spin-orbit splitting and compositionally disordered semiconductors // Phys Rev В - 1977 - V 16 № 2 - P 790-796

7 Харрисон У Электронная структура и свойства твердых тел (физика химической связи) - М Мир, 1983 - Т 1 - 381 С, Т 2 -332 С (Пер с англ Harrison WA Electronic Structure and Properties of Solids (The Physics of the Chemical Bond) San Francisco WH Freeman and Company, 1980)

8 Brudnyi VN, Grinyaev S N, Stepanov V.E Local neutrality conception Fermi level pinning in defective semiconductors // Physica B: Cond Matter - 1995 - V 212 -P 429-435

9. Brudnyi VN, Grinyaev S N, Kolin N G A model for Fermi-level pinning in semiconductors- radiation defects, interface boundaries // Physica В Cond Matter - 2004 - V 348 - P 213-225

10 Брудный В H, Колин Н Г, Смирнов Л С Модель самокомпенсации и стабилизация уровня Ферми в облученных полупроводниках // Физика и Техника Полупроводников. - 2007 - Т. 41 Вып. 9. - С. 1031-1040.

11 Брудный В Н , Гриняев С.Н , Колин Н.Г Корреляция положения глубоких уровней собственных точечных дефектов с «предельным» положением уровня Ферми в облученных полупроводниках группы III—V // Известия вузов. Физика. - 2007 - Т 50 № 5 - С. 17-22

12 Aukerman LW Radiation Effects // Semiconductors and Semimetals / ed Willardson R К and Bear А С -N.Y AP, 1968 - P 343-409

13 Cardona M Chnstensen N E Acoustic deformation potentials and heterostruc-ture band offsets in semiconductors // Phys. Rev В - 1987- V 35, N 12-P 6182-6194

Подписано в печать 8 10 2007 г Бумага офсетная Тираж 100 экз Печать трафаретная

Формат. 60x84/16 Усл. печ. л 1,39

Заказ. 284/Н

Издательство

Томского государственного педагогического университета

г Томск,ул Герцена,49 Тел (3822)52-12-93 Щ.-

e-mail pubhshmspu edu ru ЩШШЩШ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В АНТИМОНИДАХ (In, Ga)-Sb.

Введение.

1.1. Антимонид индия (InSb).

1.1.1. Электрофизические свойства облученного InSb.

1.1.2. Отжиг радиационных дефектов в InSb.

1.1.3. Трансмутационное легирование InSb.

1.2. Антимонид галлия (GaSb).

1.2.1. Электрофизические свойства облученного GaSb.

1.2.2. Отжиг радиационных дефектов.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Параметры исследуемых полупроводников.

2.2. Характеристики исследуемых материалов.

2.3. Методика измерения, облучения и отжига.

2.3.1. Измерение электрических параметров.

2. 3. 2. Измерение электрических параметров GaSb в условиях всестороннего сжатия.

2.3. 3. Облучение электронами и протонами.

2.3.4. Облучение реакторными нейтронами.

2.3. 5. Изохронный отжиг.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В InSb.

Введение.

3. 1. Электрофизические характеристики облученного InSb.

3.1. 1. InSb, облученный электронами.

3.1.2. InSb, облученный ионами водорода.

3.2. Нитевидные микрокристаллы InSb, облученные нейтронами.

3.3. Уровни радиационных дефектов в InSb.

3.4. Термическая стабильность радиационных дефектов в InSb.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В GaSb.

Введение.

4.1. Электрофизические характеристики облученного GaSb.

4.1.1. GaSb, облученный электронами.

4.1.2. GaSb, облученный ионами водорода.

4.2. Уровни радиационных дефектов в GaSb.

4. 3. Радиационные дефекты в GaSb в условиях гидростатического сжатия.

4.4. Термическая стабильность радиационных дефектов в GaSb.

4. 5. Выводы.

5.1. Закрепление уровня Ферми в облученных соединениях группы III-Sb.75

5.2. Радиационные дефекты в условиях гидростатического сжатия.81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.84

ЛИТЕРАТУРА.86

ПРИЛОЖЕНИЕ.93

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Соединения на основе сурьмы - InSb и GaSb - являются представителями полупроводников группы III-V, характерной особенностью которых являются: малые значения ширины запрещенной зоны, высокие значения спин-орбитального расщепления валентных зон Лад, большие значения подвижности электронов, высокие значения барических коэффициентов ширины запрещенной зоны, низкие температуры плавления. Основной областью использования InSb и GaSb является производство датчиков Холла, фотоприемников среднего ИК-диапазона, включая устройства на основе квантовых точек InSb/GaSb, туннельных диодов, датчиков давления, а также применение данных материалов в твердых растворах полупроводников с близкими значениями постоянной решетки - AlSb, InAs.

Полупроводники (In,Ga)-Sb получают в виде объемных кристаллов, эпитаксиальных пленок и нитевидных микрокристаллов ("усов"). Предполагается, что собственные несовершенства структуры - вакансии и антиструктурные дефекты - в антимонидах являются фактором, от которого в сильной степени зависят свойства материала. Так, особенностью GaSb является р~тип проводимости ростового материала, и для получения материала «-типа проводимости необходима его перекомпенсация примесями донорного типа. Поэтому исследованию собственных дефектов в облученных InSb и GaSb уделяется особое внимание, что определяет актуальность данной работы.

Облучение высокоэнергетическим частицами (электронами, ионами, нейтронами) может быть использовано как для контролируемого введения собственных дефектов решетки с целью их последующего изучения, так и в методах радиационной технологии - ионном и трансмутационном легировании полупроводников. Этим вопросам и посвящена данная работа.

Объект исследований

Объектом исследования являются объемные кристаллы InSb и GaSb п-ир-типа проводимости, полученные методом Чохральского, ядерно-легированные кристаллы «-InSb и нитевидные микрокристаллы w-InSb(Sn), полученные методом свободной кристаллизации из газовой фазы, облученные электронами интегральными потоками до 1х1019см"2, протонами до 2хЮ16см'2 и быстрыми нейтронами до 3.1 *1016 см'2.

Научная новизна результатов работы

1. Обнаружено явление закрепления уровня Ферми в "предельном" положении Fun, в облученных большими интегральными потоками электронов, протонов и быстрых нейтронов кристаллах InSb и GaSb и выявлена связь величины Fliin с особенностями энергетического спектра данных соединений. В основу анализа экспериментальных данных положен принцип физико-химических аналогий, используемый при описании свойств материалов с родственным типом химических связей.

2. Установлена чувствительность удельного сопротивления облученных электронами кристаллов GaSb к гидростатическому сжатию при изменении энергетического положения уровня Ферми в пределах запрещенной зоны материала вследствие различного исходного уровня легирования и дозы облучения.

3. Определено условие высокой устойчивости электрофизических свойств микрокристаллов InSb(Sn) при реакторном облучении.

4. Обнаружены стадии отжига радиационных дефектов в интервале температур (20-500) °С в облученных электронами и протонами кристаллах InSb и GaSb различного исходного типа проводимости и уровня легирования.

Практическая значимость работы

Представленные в работе результаты исследований электрофизических свойств облученных электронами, протонами и быстрыми нейтронами соединений InSb и GaSb, данные по чувствительности облученных электронами кристаллов GaSb к гидростатическому сжатию и данные по термической стабильности радиационных дефектов в этих соединениях могут быть использованы при разработке методов ионного и трансмутационного легирования данных полупроводников, при радиационном модифицировании свойств (изменении удельного сопротивления, типа проводимости) данных материалов, при разработке сенсоров давления, при прогнозировании стойкости соединений InSb и GaSb к воздействию высокоэнергетического облучения.

Результаты исследований, вошедших в данную работу, получены при исполнении ГБ НИР по заказ-нарядам Министерства образования РФ, хоздоговорам с предприятиями Министерства химической промышленности СССР и проекта МТЦ №1630 «Радиационно-стойкие полупроводники».

Научные положения, выносимые на защиту

1.При облучении в InSb и GaSb вводятся радиационные дефекты как донорной, так и акцепторной природы, эффективность влияния которых на электрофизические свойства данных соединений определяется уровнем легирования и типом проводимости исходного материала.

2. Облучение InSb и GaSb приводит к стабилизации (закреплению) уровня Ферми в "предельном" (стационарном) положении Fiim, вблизи потолка валентной зоны кристалла независимо от вида облучения и типа исходного материала.

3. Радиационные дефекты являются сильно локализованными ("глубокими") состояниями, в формировании которых участвуют энергетические состояния всей зоны Бриллюэна кристалла.

4. Радиационные дефекты, как и термодефекты, в InSb и GaSb ответственны за р-тип проводимости материала. Образование радиационных дефектов донорного и акцепторного типов при облучении InSb подтверждается многократной п->р—>п->р конверсией типа проводимости при отжиге в интервале температур (20-500) °С.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на XII Международной конференции "Radiation physics and chemistry of inorganic materials" (Томск, Россия, 2003 г.), VIII Российской конференции "Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V (GaAs-2002)" (Томск, 2002 г.), VIII Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, Россия, 2001 г.), VII Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, Россия, 1998 г.), II Всесоюзном семинаре "Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках" (Павлодар, 1989 г.), XIV семинаре "Взаимодействие радиационных и термических дефектов в полупроводниках" (Киев, 1988 г.), XIII семинаре "Радиационная физика полупроводников" (Новосибирск, 1987 г.).

Публикации

По тематике диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых научных журналах: Физика и Техника Полупроводников (3), Physica Status Solidi (1), Известия вузов. Физика (2) и 5 тезисов докладов на научных конференциях. В опубликованных работах автору принадлежат результаты, отображенные в выводах диссертации.

Личный вклад автора

Диссертационная работа - результат многолетних исследований автора, часть из которых выполнена лично автором, а часть совместно с сотрудниками отдела физики полупроводников ОСП "СФТИ ТГУ" (г.Томск). Автором проводилось планирование эксперимента, подготовка образцов для облучения, измерение свойств образцов до и после облучения и обработка экспериментальных данных. Автору принадлежит существенная часть результатов, опубликованных в совместных с другими исследователями работах, относящихся к анализу полученных данных, их обобщению и выводам.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения и содержит 104 страницы, включая 50 рисунков, 11 таблиц и список цитируемой литературы из 73 наименований.

Результаты исследования электрофизических свойств и особенностей отжига показывают, что при облучении высокоэнергетическими электронами, протонами или быстрыми нейтронами в соединениях InSb и GaSb вводятся радиационные дефекты как донорной, так и акцепторной природы, эффективность влияния которых на электрофизические свойства материала зависит от типа проводимости и уровня легирования исходного материала. Облучение высокоэнергетическими частицами приводит к стабилизации ("закреплению") уровня Ферми в "предельном" положении вблизи потолка валентной зоны, независимо от типа проводимости и вида легирующей химической примеси. Предполагается, что при радиационном воздействии, когда формируется большой набор собственных дефектов решетки, в полупроводнике протекает процесс радиационной самокомпенсации, эффективность которого определяется как условиями облучения, так и исходным уровнем легирования материала [57]. При этом электрическая активность исходного полупроводника может уменьшаться при захвате свободных электронов или дырок радиационными акцепторами или донорами, соответственно, либо увеличиваться вплоть до конверсии типа проводимости в результате облучения, например, в случае облучения исходного п-GaSb. В конечном счете, при облучении уровень Ферми всегда закрепляется в предельном" положении Fiim, характерном для каждого полупроводника. Это указывает на то, что в таком материале степень взаимной компенсации радиационных доноров и акцепторов должна быть близка единице даже в том случае, когда "предельные" электрофизические свойства облученного полупроводника соответствуют вырождению материала, например для

1 О -5 облученного GaSb, где £>ит« 2.5x10 см". Степень компенсации такого материала после облучения будет определяться только исходным уровнем легирования полупроводника и дозой облучения (соотношением между плотностью радиационных дефектов и плотностью легирующей химической примеси). В целом это соответствует результатам исследований других облученных полупроводниковых материалов группы III-V.

Особенностью соединений InSb, GaSb и AlSb по сравнению с нитридами, фосфидами и арсенидами группы полупроводников III-V является то, что в результате облучения данные материалы приобретают р-тип проводимости, в то время как соединения III-(N, Р, As) при облучении приобретают тип проводимости близкий к собственному типу в случае A1N, GaN, GaP, GaAs, AlAs и другие, «-тип проводимости для InP, либо п+-тип проводимости в случае облучения InN и InAs. Для оценки величины Fijm в антимонидах используем несколько модельных подходов.

Облучение высокоэнергетическими частицами приводит к разрыву химических связей и формированию дефектов оборванных связей, таких как вакансии, антиструктурные дефекты (дефекты антизамещения), междоузельные атомы. Рассмотрим один из основных дефектов в решетке облученного полупроводника - вакансию. В тетраэдрических полупроводниках при образовании собственного дефекта на ближайших к вакансии атомах появляются оборванные sp2 ~ гибридные связи с энергией <Eh>, зарядовое состояние которых ± или 0 определяется положением уровня Ферми относительно энергии <Eh>, так что условию электронейтральности этого состояния соответствует выражение

F = <Eh> = (£hA + Ehc )/2, где Eh = (Es + 3Ер )/4, здесь Es и Ер энергии s- и р- орбиталей анионов (А) и катионов (С), соответственно. Поэтому энергию <£h> можно отождествить с положением Fijm в облученном полупроводнике [39]. Тогда можно записать, что относительно потолка валентной зоны полупроводника

Еы = \ = ЕШ-<Еь>,где

Е(Г^) = (£ра + Ерс + X а + Л с )/2 - РРА - £рс + Я а + Д с )2/4 + Гхх2]1/2. При оценках учтен вклад спинорбитального расщепления валентной зоны

А р полупроводника ДА = Ag0 /3 и /1с = Ago /3 [67] в величину А,. Здесь, VXK=Axxh2/4n2md1, Ахх - эмпирический матричный элемент межатомного взаимодействия равный 2.16 для орбиталей Хермана - Скиллмана (ХС) и 1.28 - для орбиталей Хартри-Фока (ХФ) [68]. Хотя оценочные значения Дх.ф и Дхс (табл. 5.1) не точны для каждого отдельного полупроводника, они выявляют физический смысл величины F\im и воспроизводят "химические" тенденции в ее изменении в исследованных материалах.

В табл. 5.1 также представлены значения "нейтральной" точки кристалла для InSb, GaSb и AlSb, отождествляемой с положением FVm в облученных полупроводниках [39] и оцененной в рамках моделей амфотерного дефектного уровня £adl [12], наиболее "глубоко" дефектного уровня EDDL [49] и энергетического уровня <Е0>/2 [57], где <EG> - средний энергетический интервал между нижней зоной проводимости и верхней валентной зоной в пределах первой зоны Бриллюэна кристалла (средняя изотропная энергетическая щель). Эти расчетные модели показывают удовлетворительное соответствие с экспериментальными значениями F\\m в исследованных материалах.

При отождествлении "нейтральной" точки кристалла с энергетическим положением Fnm в облученном материале в моделях [12, 39, 49] собственные дефекты кристалла присутствуют в решетке полупроводника "по умолчанию", т.е. их природа и электронная структура в каждом конкретном случае остается неизвестной. В работе [69] был выполнен расчет энергетических уровней нейтральных вакансий анионов Уд, катионов Vc и антиструктурных дефектов -анион на месте катиона Ас и катион на месте аниона СА в группе полупроводниковых соединений III-V. Точечные дефекты такого типа образуются как основные дефекты в бинарных полупроводниках при электроном (1-2 МэВ) и гамма - облучении, а также присутствуют в материале при других типах высокоэнергетического воздействия. По результатам этого расчета с учетом энергетического положения уровней дефектов, а также их донорной и акцепторной природы, было оценено энергетическое положение уровня зарядовой нейтральности для этих простейших дефектов <Е L>, которое можно отождествить с положением F|im в облученном полупроводнике. Эти данные, представленные в табл. 5.1, также качественно коррелируют с экспериментальными и расчетными значениями величины Fiim, полученными в других моделях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. При облучении InSb и GaSb вводятся радиационные дефекты как донорной, так и акцепторной природы, эффективность влияния которых на электрофизические свойства полупроводника определяется уровнем легирования и типом проводимости исходного материала. Поэтому радиационное модифицирование является процессом самокомпенсации материала, при котором плотности радиационных доноров и акцепторов в условиях высокодозового облучения близки. Эта компенсация тем более точна, чем выше доза облучения и ниже уровень исходного легирования материала химическими примесями.

2. Высокоэнергетическое облучение приводит к закреплению уровня Ферми в "предельном" положении FVim вблизи потолка валентной зоны в соединениях InSb и GaSb, что обусловлено особенностями энергетических зонных спектров данных полупроводников, а именно, высокими значениями спин - орбитального расщепления их валентных зон по отношению к величине минимальной запрещенной зоны. Такая особенность соединений на основе Sb приводит к "выталкиванию" потолка валентной зоны в направлении уровня Fiim, что обеспечиваетр-тт проводимости данных материалов после облучения.

3. Выявлена область высокой (Ес <F< Е/1) и низкой (Е^2 > F >Еу) чувствительности удельного сопротивления р к всестороннему сжатию в облученном электронами GaSb, что является следствием "закрепления" уровней РД относительно потолка валентной зоны в данном соединении. Это предполагает, что РД являются сильно локализованными ("глубокими") состояниями независимо от их расположения в запрещенной зоне кристалла, в формировании которых участвуют состояния всей зоны Бриллюэна полупроводника.

4. При нагреве облученных образцов InSb и GaSb в интервале температур (20-500)°С обнаружены стадии отжига дефектов донорного и акцепторного типа, что подтверждает одновременное образование радиационных доноров и акцепторов в результате облучения. При этом отжиг облученного InSb выявляет многократную п->р—>п->р конверсию типа проводимости вследствие последовательного смещения уровня Ферми к краям запрещенной зоны материала при селективном отжиге радиационных доноров и акцепторов.

5. Отмечено, что термодефекты и радиационные дефекты в кристаллах InSb и GaSb ответственны за р - типа проводимости материала, а в случае GaSb такими свойствами обладают и ростовые дефекты. Такие особенности соединений (In,Ga)-Sb обусловлены тем, что их "нейтральная" точка, тождественная уровню F\im, располагается вблизи потолка валентной зоны данных соединений, что обуславливает высокую эффективность образования собственных дефектов с энергетическими уровнями в нижней половине запрещенной зоны данных материалов.

1. Cleland J.W., Crawford J.H., Jr. Radiation Effects in 1.dium Antimonide // Phys. Rev.-1954.- V.93, №4.- P. 894-895.

2. Aukerman L.W. Radiation Effects // Semiconductors and Semimetals / ed. Willardson R.K. and Bear A.C.-N.Y: AP, 1968.- P. 343-409.

3. Koumitzi S.D. Evidence of a radiation induced defect level in «-type InSb // Sol. State Commun.- 1987.- V.64,N8.-P. 1171-1173.

4. Витовский H.A., Машовец T.B., Оганесян O.B., Бахбухчан Н.Х. Кинетика изменения концентрации носителей заряда в антимониде индия при облучении электронами с энергией 50 МэВ // Физ. Техн. Полупров.- 1978.- Т. 12, в.9.- С. 1861-1862.

5. Скипетров Е.П., Дмитриев В.В., Заитов Ф.А., Кольцов Г.И., Ладыгин Е.А. Электрофизические свойства антимонида индия «-типа, облученного быстрыми электронами // Физ. Техн. Полупров.- 1986.- Т.20, №10.- С. 1787-1790.

6. Водопьянов Л.К., Курдиани Н.И. О разупорядоченных областях в InSb, обусловленных облучением быстрыми нейтронами // Физ. Техн. Полупров.- 1967.-Т.1, №5.- С. 646-648.

7. Baramidze N.V., Bonch-Bruevich V.L., Georgadze М.Р, Kurdiani N.I. Electrical Properties of InSb Irradiated with Fast Neutrons // Phys. Stat.Sol.(b).- 1982.- V.110, №1.-P. 33-37.

8. Gossik B.R. Disordered Regions in Semiconductors Bombarded by Fast Neutrons // J.Appl. Phys.- 1959.- V.30, №8.- P. 1214-1218.

9. Водопьянов Л.К., Курдиани Н.И. Электрические свойства сурьмянистого индия, облученного нейтронами при 77 К и электронами при 300 К // Физ. Тверд. Тела.-1965.- Т.7, №9.- С. 2749-2753.

10. Колин Н.Г., Миркурисов Д.И., Соловьев С.П. Электрофизические свойства InSb, облученного быстрыми нейтронами реактора// Физ. Техн. Полупров.- 1999.-Т.ЗЗ, в. 8.- С. 927-930.

11. Stein HJ. Fast Neutron Irradiation of InSb // Bull.Am.Phys.Soc., Ser.II.- 1962.- V.7, №8.- P. 543.

12. Brudnyi V.N., Grinyaev S.N., Stepanov V.E. Local neutrality conception: Fermi level pinning in defective semiconductors // Physica B: Condense Matter. -1995.- V.212.-P. 429-435.

13. Eisen F.H., Bickel P.W. Electron Damage Threshold in InSb // Phys,Rev.- 1959.-V.115, №2.- P.345-346.

14. Eisen F.H. Orientation Dependence of Electron Radiation Damage in InSb // Phys.Rev.- 1964.- V.135, №5A.- P. A1394-A1399.

15. Eisen FM Recovery of Electron Radiation Damage in n-type InSb // Phys.Rev.-1961.- V.123, №.3.- P. 736-744.

16. Заитов Ф.А., Исаев Ф.К., Поляков А.Я., Кузьмин А.В. Влияние проникающей радиации на свойства антимонида и арсенида индия.- Баку: Элм, 1984.- 205 с.

17. Ивлева B.C., Ольховникова Т.И., Селянина В.И., Фомин В.Г. Влияние некоторых дефектов роста на изменение типа проводимости InSb при термообработке // Электронная техника, серия 6. Материалы.- 1972.- В.1.- С. 71-77.

18. Марианашвили Ш.М., Нанобашвили Д.И., Размадзе З.Г. О возможности трансмутационного легирования антимонида индия // Физ.Тверд.Тела.- 1965,- Т.7, №.12.- С. 3566-3570.

19. Kucher F., Fantner Е., Bauer G. Systematic Control of Doping Characteristics of n-InSb by Nuclear Reactions // Phys. Stat. Sol.- 1974.- V.24, №2.- P. 513-518.

20. Колин Н.Г., Миркурисов Д.И., Соловьев С.П. Электрофизические свойства ядерно-легированного InSb // Физ. Техн. Полупров.- 1999.- Т.З, №7- С. 774- 777.

21. Колин Н.Г. Ядерное легирование и радиационное модифицирование полупроводников: состояние и перспективы // Известия вузов. Физика.- 2003.- №6.-С. 12-20.

22. Nakashima К. Electrical and optical studies in gallium arsenide // Jap. J. Appl.Phys.-1981.- V.20, №6.- P. 1085-1094.

23. Колокольцев B.H. Определение параметров собственных акцепторов в нелегированном GaSb // Изв. АН СССР. Неорганические материалы,- 1978.- Т. 14, №3.- С. 401-406.

24. Абрикосов Н.Х., Колокольцев В.Н., Скуднова Е.В. Введение радиационных дефектов в антимонид галлия, легированный цинком и теллуром // Свойства легированных полупроводников.- М.: Наука, 1977.- С. 183-189.

25. Kaiser R., Fan H.Y. Optical and electrical studies of electron bombarded GaSb // Phys. Rev.- 1965.- V.138, №1A.- P. 156-161.

26. Poujade A.M., Albany H.J. Conversion do type n au type p, har irradiation electronique, de Tantimoniure de gallium dope au tellure: etude par conductibilite thermique // C.r. Acod.Sci.- 1970.- V.270, №13.- P. 840-873.

27. Абрикосов H.X., Колокольцев B.H., Скуднова E.B. Воздействие электронного облучения на нелегированный GaSb // Физика и химия обработки материалов.-1974,-№6.- С. 21-24.

28. Thommen К. Energy and orientation dependence of electron-irradiation-induced damage in undoped GaSb // Phys. Rev.- 1968.- V.174, №3,- P. 938-945.

29. Thommen K. Effect of low-temperature electron irradiation on the electrical properties of undoped GaSb // Phys. Rev.- 1967.- V.161, №3,- P. 769-778.

30. Абрикосов H.X., Колокольцев B.H., Скуднова E.B. Отжиг радиационных дефектов в р- GaSb / Изв. АН СССР. Неорганические материалы.- 1976.- Т. 12, №6.-С. 1017-1020.

31. Абрикосов Н.Х., Колокольцев В.Н., Скуднова Е.В. Взаимодействие примесей акцепторного и донорного типов с радиационными дефектами в антимониде галлия //Свойства легированных полупроводников.- М.: Наука, 1977.-С. 137-152.

32. Абрикосов Н.Х., Колокольцев В.Н., Скуднова Е.В. Влияние легирующих примесей акцепторного и донорного типа на отжиг радиационных дефектов в антимониде галлия // Космическое материаловедение и технология.- М.: Наука, 1977.- С. 90-94.

33. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. Ed. Madelung O. // Group III: Crystal and Solid State Physics. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg.- 1987,- V.22.- 451 p.

34. Gertenberg H.,Glaser W. Transmutation doping and lattice defects degenerate InSb // Phys.St.Sol. (a). 1990.-V. 118,№1.-P. 241-252.

35. Кучис Е.И. Методы исследования эффекта Холла.- М.: Сов. Радио, 1974.- 328 с.

36. Киреев П.С. Физика полупроводников.- М.: Высшая школа, 1969 590 с.

37. Аскеров Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках. Ленинград: Наука, 1970.- 304 с.

38. Брудный В.Н. Радиационная модификация и дефекты некоторых алмазоподобных полупроводников сложного состава. // Дис. на соискание ученой степени доктора физ.-матем. наук. Томск, ТомГУ.-1993.- 383 с.

39. Хафнер Дж. Ядерное излучение и защита в космосе.-М.:Атомиздат, 1971.-320 с.

40. Блаут-Блачев А.Н., Ивлева B.C., Кеворков М.Н., Пепик Н.И., Попков А.Н., Селянина В.И. Влияние термообработки на свойства InSb, легированного Ge, Zn, Mn, Cd // Изв. АН СССР. Неорг. Матер.- 1977.- Т.13, № 4.- С. 620-622.

41. Oszwaldowski М., Berus Т. Effect of tin doping on InSb thin films. // Thin Solid Films.-1989.-V.172.-P. 71-80.

42. Брудный B.H., Каменская И.В., Колин Н.Г. Электрические свойства сильнооблученного InSb // Материалы 2-го Всесоюзного семинара "Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках". АН СССР, Павлодар.-1989. часть 2.-С. 140-144.

43. Брудный В.Н., Каменская И.В., Колин Н.Г. Электрофизические свойства InSb, облученного электронами при 300 К // Изв.вузов. Физика. -1991,- Т.34, №7.-С. 99-103.

44. Брудный В.Н, Бойко B.M, Каменская И.В, Колин Н.Г. Электрофизические характеристики и предельное положение уровня Ферми в InSb, облученном прогонами // Физ. Техн. Полупр.- 2004.- Т.38, в. 7.- С. 802-807.

45. Большакова И.А, Бойко В.М, Брудный В.Н, Каменская И.В, Колин Н.Г, Макидо ЕЛО, Московец Т.А, Меркурисов Д.И. Влияние нейтронного облученияна свойства нитевидных микрокристаллов «-InSb // Физ. Техн. Полупр.- 2005.-Т.39, в.7.- С. 814-819.

46. Brudnyi V.N., Grinyaev S.N., Kolin N.G. A model for Fermi-level pinning in semiconductors: radiation defects, interface boundaries. // Phys.B: Condense Matter-2004.- V.348.- P. 213-225.

47. Брудный B.H., Гриняев C.H., Катаев С.Г. Стабилизация уровня Ферми в облученных полупроводниках// Материалы 2-го Всесоюзного семинара "Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках".- АН СССР, Павлодар.- 1989.-Ч. II.-С.145-150.

48. Брандт Н.Б., Дмитриев В.В., Ладыгин Е.А., Скипетров Е.П. Влияние давления на электрофизические свойства антимонида индия р-типа, облученного быстрыми электронами // Физ. Техн. Полупр.- 1987.-Т.21, в.З.-С. 514-520.

49. Брудный В.Н. Исследование радиационных дефектов в полупроводниках в условиях гидростатического сжатия // Физ. Техн. Полупров.- 1999-Т.ЗЗ, Вып. 11.-С. 1290-1294.

50. Машовец Т.В., Хансеваров Р.Ю. Низкотемпературное у-облучение и отжиг сурьмянистого индия / Радиационная физика неметаллических кристаллов,- Киев.: Наукова Думка, 1967.- С. 200-206.

51. Myhra S. Radiation damage and recovery effects in p-type InSb // Radiation Effects.-1981.- V.59, №1-2.- P. 1-6.

52. Дмитриев В.В., Скипетров Е.П. Глубокий радиационный уровень в антимониде индия «-типа, облученном электронами// Физ. Техн. Полупров.- 1990.-Т.24, в.5.-С.897-901.

53. Брудный В.Н., Колин Н.Г., Смирнов JI.C. Модель самокомпенсации и стабилизация уровня Ферми в облученных полупроводниках // Физ. Техн. Полупр.-2007.- Т.41, Вып.9.- С. 1031-1040.

54. Brudnyi V.N., Kamenskaya I.V. The Electrical Properties and Fermi Level Pinning in Proton-Irradiated GaSb //Phys.Stat.Sol (a). 1988.- V.105.- P. K141-K144.

55. Брудный В.Н., Каменская И.В. Электрофизические свойства антимонида галлия, облученного ионами водорода // Известия вузов. Физика. Деп. в ВИНИТИ, №104-В88.- 1988.

56. Брудный В.Н., Каменская И.В. Радиационная модификация свойств антимонида галлия// Материалы 7-ой Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах.- Кемерово.- (6-9) октября 1998.-4.IL-С. 18-19.

57. Брудный В.Н., Каменская И.В. Исследование радиационных дефектов в полупроводниках в условиях всестороннего сжатия // Физ. Техн. Полупр.- 1999.-Т.ЗЗ, в. 11.-С. 1290-1294.

58. Каменская И.В. Радиационные дефекты в антимониде галлия // Материалы 8-ой Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах». Кемерово.- (9-12) октября 2001.- Ч.1.- С. 54-55

59. Murewala Р.А., Arora В.М., Chadvankar S.S. Low Temperature Electron Irradiation Induced Defects inn- GaSb //Mater.Sci.Forum.- 1986.- V. 10-12, №3.- P. 1069-1073.

60. Leifer H.N., Dunlap W.C. Some properties of p-tipe GaSb between 15 К and 925 К // Phys.Rev.-1954.-V.95, №1,- P. 51-56.

61. Рюле В., Яковец В., Пилкун С. Излучательная рекомбинация с участием акцепторов в GaSb // Изв. АН СССР. Сер. Физика.- 1973.- Т.37, №3.-С. 570-572.

62. Эварестов Р.А. Квантово-химические методы в теории твердого тела.-Ленинград: ЛГУ, 1982.- 279 с.

63. Chadi D.J. Spin-orbit splitting and compositionally disordered semiconductors // Phys. Rev. B.-1977.- V.16, N2.-P. 790-796.

64. Брудный B.H., Гриняев C.H., Колин Н.Г. Корреляция положения глубоких уровней собственных точечных дефектов с "предельным" положением уровня Ферми в облученных полупроводниках группы III-V // Изв. Вузов. Физика.- 2007.-Т.50, №5.- С. 17-22.

65. Brydnyi V.N., Grinyaev S.N., Stepanov V.E. Local neutrality conception: Fermi level pinning in defective semiconductors // Physica B. Condensed Matter 1995.- P. 429-435.

66. Van de Walle C.G. and Neugebauer J. Universal alignment of hydrogen levels in semiconductors, insulators and solutions // Nature.- 2003.- V.423, №5.- P. 626-628.

67. Агринская H.B., Машовец T.B. Самокомпенсация в полупроводниках // Физ. Техн. Полупр.- 1994.-Т. 28, в. 9.- С. 1505-1534.

68. Cardona М. Christensen N.E. Acoustic deformation potentials and heterostructure band offsets in semiconductors // Phys. Rev. B. 1987.- V.35, №12.- P. 6182-6194.