Исследование анизотропии тензорезистивных эффектов в сильно деформированных кристаллах Ge TA Si тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

¿661 ОЗФ V і

МІНІСТЕРСТВО ОСІИТИ УКРАЇНИ ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВШІЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ І.ФРАНКА

На правих рукопису УДК 621.315.592

ГОРШ Андрій Євгенович

ДОСЛІДЖЕННЯ АНІЗОТРОПІЇ ТЕНЗОРЕЗИСТИВІШХ ЕФЕІСТІВ В СИЛЬНО ДЕФОРМОВАНИХ КРИСТАЛАХ Єє ТА Бі

01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математнчинх наук

Львів-1997

Дисертація с рукопис.

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник: доістор фізико-математнчних наук

КОЛОМОЄЦЬ В.В.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математнчних наук, професор

БУДЖАКЯ.С

кандидат фізико-математнчних наук, доцент САВЧИН В.П.

Провідна організація - Чернівецький державний університет

- ■ ■ ■ ' ' -^1 -» ■ с ^ ІЗ,. {ГВРЕІИ.Л. _ ■

Захист відбудеться <____> ____________________1997 р. о ...„_год.

на засіданні Спеціалізованої Ради Д 04.04.08 при Львівському

державному університеті імені І .Франка за адресою:

290005, Львів, вуп. Кирила і Мефодія, 8, Велика фЬична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Львівського державного університету імені І.Франка (вулДрагоманова, 5).

Відгуки на автореферат у двох. .римірниках, завірені печаткою просимо надсилати за адресою: 290005, Україна, Львів, вуп. Кирила і Мефодія, 8, фізичний факультет, вченому секретарю.

Автореферат розіслано <.!?..>____----------------1997 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої Ради Д 04.04.08 А. ^

доктор фіз.-мат. наук, професор і БЛЛЖИЄВСЬКИЙ Л.Ф.

Актуальність теми. Розвиток фізики значною мірою визначається технічними можливостями, які дозволяють реалізувати дослідження в екстремальних умовах експерименту. В фізиці напівпровідників, зокрема, реалізація таких досліджень має важливе значення як з гачки зору вивчення механізмів нетривіальних ефектів, які, як правило, виникають в екстремальних умовах, так і для вирішення проблем матеріалознавства, пов'язаних з визначенням граничних можливостей тог о чи іншого матеріалу.

В зв’язку з тим, що сильні напрямлені тиски суттєво змінюють зонну структуру напівпровідників, механічні напруги, які виникають в кристалах, структурах та приладах на їх основі, або застосовуються для досліджень, повинні приводити до значних змін їх електрофізичних характеристик. Тому дослідження ролі механічних напружень у визначенні електрофізичних характеристик напівпровідникових матеріалів, зокрема Бі та Ое, кристали яких є модельними напівпровідниками - с актуальним як з точки зору використання одержаних даних для підвищення стабільності функціонування напівпровідникових приладів, так - і з точки зору здобуття відповідної інформації про тензорезистивні властивості матеріалів та структур, що можуть бути використані для розробки чутливих елементів механо-електричних перетворювачів.

Розвиток експериментальних і теоретичних методів вивчення механізмів розігріву носіїв струму в сильних електричних полях в анізотропних напівпровідниках безпосередньо пов’язаний з поглибленням фізичних уявлень про закономірності розсіювання енергії і імпульсу носіїв струму в нерівноважній анізотропній системі. Врахування багаюдолин-ної структури при вивченні явищ переносу в гріючому полі приводить в теоретичних розрахунках в порівнянні з рівноважними умовами до значних труднощів і тому в даний час є актуальним як з теоретичної, так і з практичної точки зору.

У виробництві приладів напівпровідникової електроніки вимоги до безумовного забезпечення стабільності і відтворюваності їх параметрів в першу чергу ставлять питання щодо однорідності електрофізичних властивостей використовуваних матеріалів. Традиційними технологічними методами все складніше задовільияти вимоги забезпечення однорідності і точності дози легування. В зв’язку з цим в останній час все більша увага приділяється ядерному, або трансмутацінному легуванню напівпровідників, що дає можливість отримання матеріалу з високою однорідністю розподілу в ньому легуючої домішки. Саме це привело до інтенсивних досліджень в області поширення застосування вищезазначеного метода легування.

Незважаючи на значну кількість експериментальних і теоретичних робіт, присвячених вивченню валентної зони таких напівпровідникових матеріалів як германій та кремній, й досі залишаються нез'ясовашіми механізми багатьох ефектів, що виникають в валентній зоні напівпровідників при сильних одиовісшіх пружних деформаціях.

Значний науковий інтерес має також вивчення виливу валентної зони, відщепленої спін-орбітальною взаємодією, на електрофізичні властивості р-йі, р-Се та інших напівпровідників в умовах дії сильних напрямлених тисків, які приводять до енергетичного розщеплення зон “легких” та “важких" дірок, значно більшого в порівнянні з значенням кТ, та порівнянного з значенням спін-орбітального розщеплення валентної зони.

Мета та завдання роботи. Метою даної роботи було проведення експериментальних досліджень та аналіз закономірностей, які характеризують кінетичні явища в умовах перебудови енергетичної зонної структури та дії таких фізичних факторів, як: сильні напрямлені тиски, що сягають значень 5-6 Гпа; сильні електричні поля; низькі температури; великі дози у-опромнення і т.ін., а також розвиток методів визначення фундаментальних параметрів зонної структури в германії п- і р-типу, кремнії п- і р- типу, та ідентифікація механізмів теїізоефектів, що виникають в області екстремально високих тисків.

У відповідності до поставленої мети досліджень в дисертаційній роботі розв’язувалися такі завдання:

- експериментально дослідити закономірності, які характеризують тен-зорезистивні ефекти в умовах сильних одиовісшіх пружних деформацій, в таких багатодолинних напівпровідниках як п-Бі та п-Ое; ....

- дослідити процеси ударної іонізації мілких домішок БЬ, Р, Ав в одно-вісно деформованих кристалах германію та ідентифікувати механізми міждолинного перерозподілу і механізми, що визначають досліджені закономірності; •

- дослідити особливості анізотропії тензоефектів в у-опромінених, легованих з розплаву та нейтроно-легованих, кристалах кремнію;

- отримати експериментальні дані по вивченню анізотропного характе-

ру явищ переносу в валентних зонах одновісно деформованих кристалів германію та кремнію, і визначити на основі аналізу цих даних механізми тензоефектів в сильно деформованих кристалах. Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

1. На основі досліджень ударної іонізації і розігріву електронів в сильно деформованих кристалах п-Се визначено внесок» явища переносу

еквівалентних і нееквівалентних долин зони провідності.

2. Показано, що в зв’язку з тим, що інверсія типу абсолютного міиім>-му приводить до значної зміни параметрів зони провідності та до-мішкових станів мілких донорів, які характеризують розігрів носіїв

струму п умовах ударної іонізації, зміна поліп ударної іонізації домішок БЬ, Р, Лб в п-Єе в умовах значних одновісних пружних деформацій (X Ц [001]) пов’язана п першу чергу з зростанням енергії іонізації домішок з тиском.

3. .Приблизно чотирикратне збільшення енергії іонізації воднеподібних

донорів в Ое внаслідок Ь < - Д (- інверсії дозволило продемонструвати внесок непружнього розсіювання іонізуючих електронів на оптичних фононах, коли енергія іонізуючого електрона перевищус енергію оптичного фонона.

4. Досліджено та проаналізовано залежності поля ударної іонізації мілких домішок БЬ, Р, Лб від одновісної деформації, орієнтованої в напрямку [111], закономірності яких характеризують вплив двох конкуруючих механізмів (одиовісного тиску і сильного (гріючого) електричного поля) на процеси перерозподілу носіїв струму між еквівалентними долинами с-зони.

5. Доведено, що у випадку низькотемпературної ударної іонізації мілких домішок в п-ве вигляд функції розподілу носіїв струму по енергії приймає сильно витягнутий (анізотропний) вигляд - виникає стрі-мінг.

6. Аналіз експериментальних даних досліджень тензоефекту в '/-опромі-

нених кристалах Бі, легованого фосфором під час вирощування, так і методом трансмутнціііного легування, дозволив однозначно встановити природу великої анізотропії такого ефекту для еквівалентних кристалографічних напрямків в у-опроміненому п-Бі, легованого фосфором під час вирощування. .

7. На основі експериментальних даних досліджень тензоефектів в сильно деформованих кристалах р-Бі та р-Се вперше наочно підтверджено основне положення теорії анізотропного розсіювання щодо вирішальної ролі анізотропії ефективних мас носіїв заряду в виникненні анізотропії їх розсіювання. Показано, що в р-Бі відсутність насичення поздовжнього та поперечного п’єзоопору в області сильних одновісних пружних деформацій (в протилежність випадку для р-ве) пов’язана з малим значенням спін-орбітального розщеплення (Д =

= 0.044 еВ) та залежністю його ь.д тиску X.

Практична цінність результатів роботи. В процесі виконання дисертаційної робот» були одержані наступні результати, які мають практичну значимість.

І. Практично визначені можливості розширення діапазонів напрямлених (одновісних) тисків X, які не руйнують зразки, за рахунок вибору форми, розмірів, методів обробки зразків, розміщення електричних хонтактів та технології їх нанесення, режимів навантаження та

розвантаження зразків; тощо.

2. В широкії) області напрямлених тисків та концентрацій акцепторів і донорі» в кристалах кремнію та германію досліджено тензорезистив-ні властивості для головних кристалографічних напрямків (поздовж-нийта поперечний тензоефекти). Одержані дані можіть бути використані для розробки чутливих елементів сенсорів тиску з необхідною чутливістю та лінійністю..

3. На основі аналізу даних досліджень в п-Се ударної іонізації домішки визначено зміну енергії іонізації фосфору внаслідок Ьі- Ді * інверсії

типу абсолютного мінімуму зони провідності (с,Л (Р) = (41 ±2) меВ).

4. Порівняльнії)! аналіз тепзорезистіївпих власі ноостсп у-опромінених кристалів п-Яі. легованії \ фосфором як під час вирощування, так - і методом трансмутаційного легування, свідчи і ь про більш високу ра-діаціііну стііікість неіітроно-легопаного кремнію в той час, коли такі параметри обох матеріалів, як константи деформаційного потенціалу, пружні константи, анізотропія рухливості носіїв струму, анізотропія їх розсіювання, тощо, практично співпадають. Одержані дані слід приймати до уваги, коли напівпровідникові матеріали, структури та прилади на їх основі використовуються в умовах дії у-опромінення, а також - для прогнозування властивостей матеріалів та приладів, технологія виготовлення яких вимагає у-опроміиення.

Положення, що виноситься на захист:

1. Метод та результати експериментального визначення природи високої анізотропії для еквівалентних напрямків поздовжнього тензоре-зистивного ефекту У-опромінених кристалів п-Бі, легованих фосфором під час вирощування. Однозначно встановлено, що висока анізотропія тензорезистивного ефекту, яка спостерігається в таких кристалах п-Бі<Р>, починаючи з певних доз у-опромінення, пов’язана з неоднорідною компенсацією радіаційними дефектам)! акцепторного типу (А-центри) неоднорідно розподіленої по шарам росту електрично активної донорної домішки фосфору.

2. Результати досліджень ударної іонізації домішки фосфору в кристалах германію в умовах інверсії типу абсолютного мінімуму с-зони та визначення енергії іонізації основного стану домішкового рівня фосфору, пов’язана з Аі - долинами: е;л (Р) = (41 ± 2) меВ.

3. Закономірності та механізми міждолинного перерозподілу електронів між еквівалентними і нееквівалентними долинами зони провідності германію, легованого домішками БВ, Р, Ах в умовах ударної іонізації та сильних напрямлених тисків і механізм виникнення максимуму на залежностях полів ударноїірішації відтиску для домішок Аб і Р при X І! [001]. який пов’язаний з розсіюванням на оптичних фононах (емісія оптичних фононів).

4. Результати вимірів, закономірності та механізми, що визначають поз-довжний і поперечини тензорезистивні ефекти в кристалах р-Се та p-Si, які одержані :ип широкого діапазону напрямлених тисків, кон-'

центрацій домішок та головних кристалографічних напрямків.

5. Результати вимірів анізотропії рухливості дірок в сильно деформованих кристалах p-Ge та р-5і, які безпосередньо підтверджують основне положення теорії анізогропного розсіювання щодо вирішальної ролі анізотропії ефективних мас носіїв заряду у визначенні анізотропії іх розсіювання.

Ступінь достовірності. Достовірність одержаних результатів забезпечувалась комплексним підходом в-проведенні досліджень, виконанні достатньої кількості вимірювань та повторюваності їх результатів, а також використанням приладів, які пройшли метрологічну атестацію. Аналіз експериментальних даних та відповідних теоретичних розрахунків базувався на визначеній перевазі методу сильних напрямлених тисків в порівнянні з методом слабких ТНС.чІВ, як по відношенню до можливостей однозначної інтерпретації механізмів тензоефектів в напівпровідниках, так і з точки зору можливостей розробки методів визначення фундаментальних параметрів зонної структури та механізмів розсіювання. • -

Апробація роботи. Основні результати по темі дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на II Українській конференції “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу" (Ніжин,

1993 p.), на IV і V Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1993, 1995 pp.), на VI Міжнародній конференції “High Pressure Semiconductor Physics” (Ванкувер, Канада,

1994 p.), на Першій Міжнародній науково-технічній конференції “Матеріалознавство алмазоподібних і халькогенідних напівпровідників ” (Чернівці, 1994 p.), на Об’єднаній XV AIRAPT & XXXIII EHPRG Міжнародній конференції “High Pressure Science & Technology” (Варшава, Польща, 1995 p.), на XXIII Міжнародній кош^>енції по фізиці напівпровідників (Берлін, Німеччина, 1996 p.), на VII Міжнародній конференції “High Pressure Semiconductor Physics” (Швабіш-Гмюнд, Німеччина, 1996 p.), а також на об’єднаному семінарі відді іів № 7 і № 19 -Відділення “Фізики реальних кршлилів” Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 робіт, основні з них наведено в .кінці автореферату.

Особистий внесок дисертанта. Основні результати та висновки дисертації отримані особисто автором. Постановка завдання та обговорення результатів були виконані спільно з науковим керівником. Дисертанту належить рівноправна роль у роботах, надрукованих у співавторстві.

Структура і оп’см роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку літератури. Обсяг дисертації 108 сторінок. Дисертація вмішує 22 рисунки та 2 таблиці, 102 бібліографічних посилання.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, коротко розглянуто стан проблеми, викладено мету і завдання дослідження, відзначено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, сформульовано положення, що виносяться на захист.

У першому позлілі проведено огляд літературних даних по вивченню явищ переносу в багатодолпнних напівпровідниках кремнію та германію. Багатодолинні напівпровідники є найбільш типовим прикладом напівпровідників з анізотропним енергетичним спектром носіїв заряду та анізотропним характером їх розсіювання, пружна деформація в таких напівпровідниках приводить не тільки до кількісних, але й до якісних змін кінетичних ефектів в порівнянні з тими ж ефектами при відсутності деформації. Проведено феноменологічний аналіз, який дає можливість одержати вирази для поздовжнього та поперечного п’єзо-опору в n-Si та n-Ge для визначеної орієнтації вісі деформації. Значний інтерес має вивчення розігріву носіїв струму при зміні їх концентрації з полем і, зокрема, при ударній іонізації мілких доміщкових рівнів. Використання сильних одновісних пружних деформацій при вивченні явищ розігріву дозволяє перейти до одно- або двохдолинної моделі зони провідності, які широко використовуються в теоретичних розрахунках цих явищ, і тим самим - здійснити спрощену та більш корректну експериментальну перевірку результатів розрахунків. Розглянуто питання про вплив опромінення частинками високих енергій на властивості напівпровідників. Визначена, зокрема сильна залежність рухливості носіїв струму від дози опромінення. Наводяться результати вивчення впливу деформації на явища переносу в валентних зонах кремнію і германію. Показано, що механізмі! п’єзоопору p-Si і p-Ge обумовлені перебудовою валентної зони і переселенням носіїв струму в розщеплених зонах при зміні деформації. ' •

Другий возділ присвячений розгляду експериментальних методів досліджень. В першому пункті розглянуто методику вимірів поздовжнього та поперечного п’єзоопору, особливістю якої є можливість одержання на досліджуваному зразку механічних напружень до 5 Гпа (50000 кГ*см-2) не тільки при гелієвій, але й при азотній температурах. Обгрунтовано необхідність проведення вимірів поперечного п’єзоопору. Розглянуто методику досліджень ударної іонізації мілких донорів при одновісній пружній деформації. Для дослідження розігріву носіїв струму

в умовах ударної іонізації використано пристрій для автоматичного запису вольт-амперних характеристик для різних значень механічної напруги X або залежностей Е„р = Г (X) при фіксованому струмі через зразок. З метою усунення інжекції носіїв струму з контактів при дослідженні тензоефектів в умовах розігріву при високих одновісних деформаціях, найбільш придатними виявились гантелеподібні зразки. При вивченні поздовжнього та поперечного гі’єзоопору виміри проводились на зразках, форма яких дозволяла використовувати простий і надійний метод вимірювання питомого опору на зондовнх точкових контактах. Для отримання температурних залежностей було обрано метод інерційного нагріву зразка. В цьому випадку автоматизована система проведення експерименту слідкує за температурою і проводить виміри в певних точках температурного діапазону.

Третій розділ дисертації присвячений експериментальному дослідженню ударної іонізації мілких донорів в одновісно деформованих кристалах германію.

Зона провідності германію окрім чотирьох найнижчих Ьі- долин має також- шість Аг долин. При одномісній пружній деформації у випадку Х(| [00!] вииикас зустрічне зміщення найнижчих чотирьох Ьі- долин, які рухаються синхронно вверх по енергії із збільшенням X та двох Дг долин (які при відсутності деформації розташовані на 180 меВ вище основних І.г долин зони провідності германію), що опускаються вниз по шкалі енергії. Експериментально встановлено, іцо притиску X > 2.ІГПа (= 21000 кГ*см 2) спостерігається інверсія типу абсолютного мінімуму зони провідності - Ьі - Ді - інверсія. Така трансформація зонної структури приводить до того, що зона провідності германію (1-і - долини) при тисках більших за 2.1 Гпа у випадку X || [001] набуває ознак зони провідності кремнію (Аі - долини).

Згідно з даними розрахунків можна зробити висновок, що із збільшенням одновісної пружної деформації внесок Аі - долин зони провідності германію в явища розігріву електронів у випадку X || [111] може лише зменшуватися тому, що при такій орієнтації деформації найнижча по енергії Ьі - долина і шість Ді - долин розходяться на енергетичній шкалі. В цьому випадку розігрів носіїв струму в умовах ударної іонізації і їх перерозподіл 'за рахунок нееквівалентного розігріву та одновіс-ної пружної деформації будуть відбуватись лише за участю Ьі - долин зони провідності германію. При низьких температурах (8 + 20) К та при орієнтації поля Е (| [111] електрони в слабких електричних полях переселяються п долину з більшою відносно напрямку електричного поля ефективною масою. При подальшому підвищенні поля виникає зворотній процес п зв’язку з включенням додаткових механізмів розсіювання. З іншого боку, прикладена одиовісна пружна деформація також приво-

дить до перерозподілу електронів між енергетично розщепленими долинами, за рахунок чого у випадку X || [111] |{ Е відбувається переселення електронів в долину з більшою ефективною масою.

Враховуючи перерозподіл електронів як за рахунок їх нееквівалентного розігріву в “гарячих” і “холодній” долинах, так і за рахунок напрямленої пружної деформації, розраховано залежності полів ударної іонізації від прикладеного одновісного тиску Е„р = f(X), які відповідали умові експерименту і = const. .

На основі теорії ударної іонізації мілких домішок розрахована загальна концентрація електронів в зоні провідності. А відношення концентрації електронів в долині, яка піднімається з тиском по шкалі енергії (пг), до концентрації електронів в долині, яка опускається по енергії (пі), визначається співвідношенням: .

ТІ2 4 '

— =ехр (-----EUS+»X - ЗеМкТе)"1 (І)

П| 9 '

Тут Нц - константа деформаційного потенціала, S-w - константа пруж- ної податливості, X - механічне напруження (тиск), к - постійна Ііольц-мана, Тс - температура електронів в “холодній” долині (визначається енергією носіїв струму в гріючому полі, яке здійснює ударну іонізацію), 5є - підгоночний параметр, який пов’язаний з різницею енергій електронів в “гарячих” і “холодній" долинах.

Зразки Ge на яких проводились вимірювання, мали концентрацію донорів 1.15*1014 см-3 для кожної з домішок Sb, Р, As. Вимірювання проводились при температурі рідкого гелію (Т = 4.2 К).

Встановлено, що експериментальні залежності = f(X) для випадку Х|| [НІ] || Е характеризуються рядом особливостей, які обумовлені механізмами перерозподілу електронів між еквівалентними долинами (Li-мінімуми).

Аналіз даних експериментів на основі відповідних теоретичних розрахунків визначив внесок двох домінуючих механізмів міждолинного. перерозподілу електронів. По-перше, нееквівалентний розігрів електронів в різних (“гарячих” та “холодній”) долинах, приводить до міждолинного перерозподілу електронів. По-друге, напрямлена деформація, змінюючи по енергії еквівалентні долини зони провідності, також обумовлює перерозподіл електронів між Lj-долинами. При умові, коли 5є » к Тс Б.дбувасться повне переселення електронів в долину (долини), яка зміщується вниз по енергетичній шкалі.

Більш радикальна перебудова енергетичного зонного спектра, що обумовлює принципово інші механізми зміни полів ударної іонізації від прикладеного одновісного тиску має місце для випадку X || [001] || Е. Доведено, що перебудова зонного спектра в цьому вигадку приводить

до того, що зміна полів ударної іонізації мілких домішок БЬ, Р, Аз починає виникати тільки п області тисків-X > 1.6 Гпа. Таке збільшення пов’язане із значним зростанням енергії іонізації мілких домішок. Це зростання енергії іонізації виникає за рахунок збільшення внеску бло-хівських функцій Д| - долин у хвильову функцію домішковнх станів при зближенні 1~і-і Аі-долин:

Ч7 — }2( Сі.к ч/і.к + СдкЧ/дк) (2)

к

Найбільш характерною особливістю залежностей Е„^Епр° = АХ) для X || [001] || Е є наявність максимуму при тиску X * 2.0 Гпа, який спостерігається для домішок Р і Аэ, і практично відсутній для домішки БЬ. Проведений аналіз одержаних даних з врахуванням трансформацї зонної структури свідчить, що такий максимум визначається нспружиім розсіюванням іонізуючих електронів на оптичних фононах. Розсіювання на оптичних фононах дає помітний внесок в тому випадку, коли із збільшенням енергії іонізації дом/шки енергія іонізуючого електрона наближається до енергії оптичного фонона є(,„,„ (е„и„, = Ь <оо).

Для визначених значень енергії е,л (БЬ) = 36 меВ, є,л(Р) = 4і меВ‘, єЛАб) = 45 меВ, та т.ит, - Ъ1 меВ маємо: е,л(Ах) > сДР) > є„от, > єДБЬ). Наведене співвідношення підтверджує припущення про природу максн-муму на залежностях полів ударної іонізації від прикладеного одновіс-ного тиску Е„р ~ Г(Х), ¡¡кий спостерігається для домішок Аз і Р в Се.

Визначено енергію іонізації основного стану домішкового рівня атомів Р в ве, зв’язаного з Лі- долинами: є,Л(Р) = (41 ± 2) меВ.

Раніше при рогляді явища ударної іонізації мілких домішок в германії вважали, що домінуючим механізмом розсіювання носіїв струму є розсіювання на акустичних коливаннях гратки, а вплив на формування функції розподілу втрати енергії іонізуючого електрона в процесі ударної іонізації не враховувався.

Однак, характерною особливістю ударної іонізації мілких донорів в ве є те, що при низьких температурах в чистих кристалах іонізуючий електрон може набрати необхідну для іонізації нейтрального атома домішки енергію практично без зіткнень з коливаннями гратки та з невеликою кількістю вже іонізованих атомів.. В результаті акту ударної іонізації обидва електрона (вільний і з рівня) опиняються на дні зони провідності і знову без зіткнень розганяються в електричному полі до поро-гової енергії іонізації. Таким чином, виконуються умови, коли функція розподілу електронів набуває різко анізотропний вигляд.

Проведений аналіз ударної іонізації мілких донорів показує, що у випадку X (І [НІ] в германії значну роль відіграють процеси рекомбінації та втрата енергії і імпульс в процесі зіткнення електрона з атомом, що іонізується. Більш того, саме цими процесами й визначається формуван-

ня функції розподілу електронів. Завдяки вказаним процесам функція розподілу приймає голкоподібний вигляд > виникає стрімінг. Теоретичні оцінки, що співпадають з експериментальними даними по ударній іонізації мілких домішок в Се для випадку X || [111] || Е підтверджують запропоновану модель.

У четвертому розділі подані результати дослідження анізотропії тен-зоефектів в у-опроміненому п-$і.

Представлено результати вимірів і аналіз залежностей рх/рп = Г(Х) дія звичайних (вирощених за методом Чохральського і легованих з розплаву) і нейтроно-легованих фосфором кристалів кремнію п-типу при Х|| [001] і Т = 78 К.

Доведено, що особливості залежностей рх/р« - Ґ(Х) нейтроно-легова-ного п-8і<Р> (Т = 78 К) пов’язані з наявністю додаткового механізму тензорезистивного ефекту, обумовленого збільшенням концентрації електронів в зоні провідності для випадку сильних напрямлених тисків X ||

||[001].' V

Вплив шаруватих періодичних неоднорідностей на кінетичні ефекти в вихідних і компенсованих у-опромінениям монокристалах п-Бі вивчався за допомогою дослідження ефекту поздовжнього п’єзоопору. При високому напрямленому тиску (який сягав значень 0.8 ГПа (8000 кГ+см2)) досліджувались серії зразків п-Бі<Р>, вирощених в напрямку [001], і орієнтованих вздовж та перпендикулярно до напрямку росту, що дозволило вивчати тензорезистивні властивості нсйтроно-легованого кремнію в еквівалентних кристалографічних напрямках [100] і [001] та порівняти їх з відповідними даними для кремнію, легованого домішкою фосфору з розплаву.

На основі того, що в у-опроміненому нентроно-легованому п-5і<Р> не спостерігалося великої анізотропії поздовжнього тензорезистивного ефекту для еквівалентних напрямків, одержано безпосереднє підтвердження механізму енльної анізотропії тензорезнетивних властивостей (для еквівалентних напрямків), яка має місце в у-опроміненому Бі, лего-. ваному фосфором під час вирощування, і яка дійсно пов'язана з неоднорідною компенсацією нерівномірно розподіленої домішки фосфору радіаційними дефектами акцепторного типу, які утворюються під час у-опромінення матеріалу.

На основі даних холлівськнх вимірів одержано інформацію як про енергію іонізації рівня радіаційного походження, що пов’язаний з дією у-опромінення, так і про коефіцієнт зміни його положення відносно дна зони провідності під дією напрямленого тиску. Знайдена таким чином величина енергії іонізації дефекту радіаційного походження (так звано-

ro A-центра) у-оііроміненого зразка з вихідною концентрацією домішки фосфору 7.24* 10нсм\ виявилась рівною: є, = 0.14 еВ. •

Значення коефіцієнта зміщення такого енергетичного рівня із зміною-напрямленого тиску, орієнтованого вздовж напрямку [100] визначено за зміною нахилу залежності In n = f(HТ) під впливом тиску 0.8 ГГІа і дорінює: а = 45 меВ/ГПа.

11а основі аналізу експериментальних даних з вивчення явищ транспорту у напрямлено-деформованих кристалах неґпроно-легованого та у-онроміненого Si доведено, що нейтроно-легованни n-Si слід вважати більш радіаційно стійким відносно у-опромінення порівняно з Si, що легується фосфором під час вирощування з розплаву. Такі ж параметри л-Si, який легується різним» методами, як: анізотропія розсіювання, анізотропія часу релаксації, пружні константи, константи деформаційного потенціалу в таких матеріалах в межах точності експерименту та точності методів їх визначення збігаються.

П’ятий розділ присвячений дослідженню тензоефектів в сильно деформованих кристалах p-Ge та p-Si.

В зв’язку з тим, що при одновіснін деформації в валентній зоні германію і кремнію відбувається докорінна перебудова енергетичного спектру дірок, дані про анізотропію розсіювання дірок можна одержати (на відміну від n-Ge чи n-Si) тільки на основі вимірів як поздовжнього, так і поперечного (відносно напрямку деформації) п’єзоопору.

Найбільш помітний внесок в тензоефекти p-Ge вносить перебудова енергетичного спектру валентної зони, яка супроводжується перетворенням ізоенергетичннх поверхонь у вигляді деформованих сфер (в не-деформованих кристалах) в еліпсоїди обертання (лри X || [111] і X || [001]), або трьохвісні еліпсоїди (у випадку X || [110] з анізотропією ефективних мас, які характеризуються нерівністю пи > піц для нижньої (по енергії) розщепленої вгілентної зони і лік > пи Для верхньої валентної

ЗОНИ.

На основі експериментальних даних отримано значення параметра анізотропії рухливості дірок. в сильно деформованих кристалах p-Ge. Знайдені значення параметра анізотропії часу релаксації ( kt = km/k ) помітно відрізняються як для різних орієнтації! напрямку деформації в кристалі з однаковою концентрацією іонізованих розсіюючих центрів, так - і для кристалів з різною концентрацією домішки, але при одній і тій самій орієнтації напрямку деформації.

Таким чином, втримані дані свідчать про те, що анізотропія розсіювання носіїв струму безпосередньо визначається як анізотропією їх енергетичного спектру, яка визначає анізотропію ефективних мас, так і анізотропними властивостями самих, розсіюючих носії струму, дефектів.

Розглянуто особливості п’сзоомору кристалів р-5і, з різною концентрацією легуючої домішки. В роботі представлені результати вимірів поздовжнього (X || 3) і поперечного (X 1 і) питомого опору зразків р-Бі від величини прикладеної одновісної деформації для випадків X || [111]. X Н [110] та X || [00і].

Характерною особливістю залежностей рх/ро = Г(Х) в р-Бі як для поздовжньої, так і для поперечної орієнтацій, є відсутність насичення п’єзо-опору в області високих тисків. Очевидно, ця особливість пов’язана із значніш впливом на перебудову зонного спектру валентної підзони, відщепленої спін-орбітальною взаємодією, тик як у випадку р-5і величина спін-орбітального розщеплення незначна (А = 0.044 еВ) і порівняна з величиною розщеплення зон “легких” і “важких" дірок при сильних деформаціях. В зв’язку з цим при досягненні значних механічних напруг перебудова валентної зони не завершується і за рахунок цього поздовжня і поперечна компоненти ефективної маси'із збільшенням механічної напруги продовжують зменшуватись. Визначено, що збільшення концентрації легуючої домішки, яке приводить до зростання відносної долі “легких” дірок в недеформованому кристалі, приводить до більш іфектипного росту залежностей питомого опору від механічної напруги, що свідчить про більш значний внесок в гензоефекти переселення носіїв струму із зони “легких” в зону “важких” дірок.

Визначено залежності величніш параметра анізотропії рухливості дірок від механічної напруги для випадків X ¡( [111] та X || [001] в зразках з різною концентрацією легуючої домішки. На всіх залежностях значень параметра анізотропії від тиску не спостерігається насичення. Таким чином, перебудова зонного спектру в широкому діапазоні -меха-нічннх напруг приводить не тільки до зменшення величини компонент ефективних мас дірок шц та пц, але й до зміни анізотропії розсіювання. При цьому для різної орієнтації напрямку деформації пі зміни якісно відрізняються, Якщо для орієнтації X || [001] ізоенергетична поверхня представляє собою фігуру, форма якої майже не відрізняється від ізотропної, то для орієнтації X || [111] ця поверхня є сильно анізотропною і змінюється в залежності від величини прикладеної одновісної пружної деформації. , * •

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Експериментально обгрунтовані оригінальні методи, методики та пристрої для досліджень поздовжнього та поперечного тензоефектів і ударної іонізації домішок в умовах екстремально високих напрямлених тисків.

2. На основі аналізу даних досліджень ударної іонізації і розігріву електронів в сильно деформованих кристалах п-С>е встановлено внесок в

явища переносу при низьких температурах екпівалентних і нееквівалентних долин зони проь.дігасті.

3. Досліджено закономірності та встановлено механізмі« зміни полів ударної іонізації при снльних одновісних пружних деформаціях кристалів Се, легованих домішками ЯЬ, І’, Ав в умовах інверсії типу абсолютного мінімуму зони провідності германію ( Ьі - Аі - інверсія). Показано, що значна зміна параметрів тонн провідності, яка пов’язана з інверсією тішу абсолютних мінімумів, обумовлює виникнення низки характерних особливостей залежностей полів ударної іонізації від напрямленого тиску. Встановлено, зокрема, що внаслідок приблизно чотирикратного збільшення енергії іонізації мілких (воднеподібних) донорів в Се в результаті и - Аі - інверсії, непружнє розсіювання іонізуючих елекіронів на оптичних фононах обумовлює виникнення максимуму на залежностях Е„р = Г(Х) для домішок Р та Аз.

4. Встановлено внесок двох конкуруючих механізмів міждоли.іного

перерозподілу носіїв струму, пов’язаних з напрямленим тиском та нееквівалентним розігрівом елекгронів в умовах ударної іонізації мілких домішок 5Ь, Р, Ав п германії для X || [1II ] || Е. •

5. Експериментальні дані та теоретичні оцінки свідчать, що в умовах низькотемпературної ударної іонізації мілких домішок в напрямлено деформованому п-Се вигляд функції розподілу носіїв струму приймає сильно витягнутий (анізотропний) вигляд - виникає стрімінг.

6. Порівняльний аналіз експериментальних даних досліджень поздовжнього тензоефекту в у-опромінених кристалах Бі, легованого фосфором як під час вирощування, так і методом, трансмутаційного легування, дозволив однозначно встановити природу високої анізотропії такого ефекту для еквівалентних кристалографічних напрямків в у-оп-роміненому кремнії, легованому фосфором під час вирощування.

7. На основі експериментальних даних досліджень тензоефектів в сильно деформованих кристалах р-Се та р-Бі наочно підтверджено основне положення теорії анізотропного розсіювання щодо вирішальної ролі анізотропії ефективних гас носіїв заряду в виникненні анізотропії їх розсіювання.

8. Показано, шо в р-Бі відсутність насичення поздовжнього та поперечного тензоефектів в області сильних одновісних пружних деформацій кристалів, орієнтованих в головних кристалографічних напрямках, пов’язана з малим значенням спін-орбітального розщеплення та залежністю ного від тиску X.

. . *

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Горін Л.Є., Дмитренко М.М., Єрмаков В.М., Коломоєць В.В., Пана-сюк Л.І., Федосов А.В., Хіврич В.1. Вплив сильної напрямленої де-

формації на властивості нейтроно-легованого '/-опроміненого кремнію // УФЖ. - 1994. - Т.39. - №5. - С.636-640.

2. Baidakov V.V., Ermakov V.N., Gorin А.Е., Kolomocts V.V., Shenderov-skii V.A. Non-Trivial Transport Phenomena in Extremely Strained'Silicon and Germanium Crystals U J.Phys. Chem. Solids. - 1995. - V.56. -№3/4. -P.319-322.

3. Горин A.E., Ермаков B.H., Коломоєц В.В. Междолинное перераспределение электронов при ударной ионизации мелких доноров в одноосно деформированном Ge // ФТП. - 1995. - Т.29. - №4. - С.615-620.

4. Baidakov V.V., Ermakov V.N., Gorin А.Е., Kolomoets V.V., Stuchinska N.V., Shcnderovskii V.A. and Tunstall D.P. Metal-Insulator Transition in Degenerately Doped Si and Ge Under High Uniaxial Pressure // Phys. Stat. Sol.(b). - 1996. - V.198. - №1, the Proceedings issue of APSP Vll.

5. Baidakov V.V., Ermakov V.N., Gorin A.E., Kolomoets V.V., Shende-rovskii V.A. Mechanisms of the MI Transition in'High Strained n-Si and n-Ge Crystals И Abstracts of the Joint XV A1RAPT & XXXHI EHPRG International Conference on "High Pressure Science & Technology". -Warsaw, Poland. - September 11-15, 1995. - 366/ThP-R13.

6. Baidakov V.V., Ermakov V.N., Gorin A.E., Grigor’ev N.N., Kolomocts V.V., Kudykina T.A., Stuchinska N.V., Shenderovskii V.A. Low-Tempe-rature Impurity Breakdown. Model of Streaming // Abstracts of the 23-rd International Conference on the Physics of Semiconductors. - Berlin, Germany. - July 21-26, 1996. - ThP-165.

7. Baidakov V.V., Ermakov V.N., Gorin AtE., Kolomoets V.V., Stuchinska N.V., Shenderovskii V.A. and Tunstall D.P. High Uniaxial Pressure Methods for Semiconductor Parameter Determination II Abstracts of the Seventh International Conference on “High Pressure Semiconductor Physics”. - Schwabisch-Gmund, Germany. - July 28-31, 1996. - P.37.

SUMMARY

Gorin A.E. Investigation of the anisotropy of tensoresistivity effects in high strained Ge and Si crystals (manuscript).

1 he dissertation advanced for a degree of Philosophy Doctor in the speciality 01.04.10 - Semiconductor and Insulators Physics, Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1996.

The work includes the investigation attributed to relationships and mechanisms of the transport phenomenons due to the anisotropy of energy spectra and the scattering anisotnjpy of the charge carriers in high strained nSi, p-Si, n-Ge, p-Ge crystals. The analysis of data of investigations of the shallow donors (Sb, P, As) impact ionization in high strained Ge allowed to determine of dominant mechanisms of the impact ionization field change which determine by the fundamental dilTLences of the energy band structu- re transformation for the various orientations of the axis pressure. In order to determine unambiguously the nature of high anisotropy of tensoresistivi- ty of y-irradiated silicon doped by phosphorus at growing time the high uniaxial pressure tensoresistivity of the transmutation doped y-irradiated n-Si<P> was investigated. Tlie experimental investigation of the tensoresistivity anisotropy in high strained p-Si and p-Ge crystals was realized for the principle crystallographic orientations. The characteristic properties of the longitudinal and transverse tensoresistivity of p-Si and p-Ge in high strain range which relate to the difference in the valence energy bands structure of silicon and germanium were examined.

АННОТАЦИЯ.

Горин A.E. Исследование анизотропии тензорезистивных эффектов в сильно деформированных кристаллах Ge и Si (рукопись).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков, Институт физики полунроподников НАН Украины, Киев, 1996 г.

Диссертация содержит исследования закономерностей и механизмов кинетических явлений, обусловленных анизотропией энергетического спектра и анизотропией рассеивания носителей заряда в сильно деформированных кристаллах n-Si, p-Si, n-Ge, p-Ge. Анализ результатов исследований ударной ионизации мелких доноров Sb, Р, As в сильно деформированном германии позволил определить доминирующие механизмы изменения нолей ударной ионизации примесей, кото-

рые определяется принципиально различным характером трансформации зонного спектра для разных направлении ориентации оси деформации. Однозначно определена природа высокой анизотропии для эквивалентных кристаллографических направлении продольного гензоре-зкстивного эффекта в у-облученном кремнии, легированном фосфором при выращивании кристаллов. Реализованы исследования анизотропии тензорезиетивных эффектов в сильно деформированных р-Бі и р-Се, результаты которых позволили объяснить характерные особенное- ти исследованных закономерностей, которые связаны с различием энергетической структуры валентных зон кристаллов кремния и германия.

Ключові слова: напівпровідники, зонна структура, явища переносу, тешорезнстивний ефект, сильна деформація, анізотропія, ударна іонізація, ^-опромінення.