Исследование фононостимулированных электронных процессов в полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ 6 од

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИГУТ ФІЗИКИ

на правах рукопису

КОМІ РЕІІКО СЕРПИ ІВАНОВИЧ

ЇОСЛГДЖЕННЯ ‘ЮІЇОНОСТШУЯЬОВАІШ ЕЛЕКТРОННИХ ПРОЦЕСІВ У ПАПІБПРОВІДНИКАХ

01.04.07. - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1933

Робота виконана в Інституті Фізики АН України

Наукові керівники: - доктор фізнко-математичних наук • Б. 0. Данильченко

Офіційні опоненти: доктор фізито-магематичних наук,

, чл.корр. АК України М. Я. Валах

Провідна установа: Фізико-Технічний Інститут Низьких

годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради К 01В, 04.01 в Інституті Фізики АН України, 252650, МСТІ, Київ--28. просп. Науки, 46 .

З дисертаціє») нокна сзнайомитась » бібліотеці Інституту Фізики АН України

Автореферат розіслано "________“_______________ 1993р,

Вчений секретар

- доктор фіаико-иатематичних наук, нроф

0. Г. Сарбей ■

доктор фізико-матенатичиих наук А. І. Щедрі я

температур Си. Харків З

спеціалізованої вченої ради

Пржонська 0. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Велика кількість електрофізичних та оптичних властивостей напівпровідників залежить від їх хімічного складу. Наявність домішок елементів інших груп, як правило, спричинює появу цілого спектру локалізованих електронних станів у зоні заборонених енергій кристалу. Енергії зв’язку валентних електронів Сдірок) на домішкових атомах становлять десятки - сотні міліелектронвольт відносно дна відповідної дозволеної зони. Цілком зрозуміло, що ступінь заповнення електронами домішкових центрів визначається температурою кристалу, тоСто кількістю та спектром наявних фононів. ' .

Роль ультрамілхих локалізованих станів, з енергіями зв'язку одиниці міліелектронвольт, найбільш важлива в області температур рідкого гелію. За цих умов дисипація енергії електронним газом відбувається головним чином за участю фононної системи кристалу. Обмін енергією між електронами та фононами відбувається за законами збереження енергії та квазіїмпульсу. Найбільш імовірним каналом охолодження "теплих" носііь Смається на увазі, що енергія електрона Ло>е менша від енергії оптичного фонока ) с випромінювання

акустичних фононів з енергіями одинці міліелектронвольт. В цій ситуації процес рекомбінації неріеновахшх носіїв відбувається шляхом їх попередньої локалізації на ультрамілких домішкових центрах внаслідок однофононних переходів. Саме останній процес визначає досить короткий час життя ( + 10~9с) нерівноважних носіїв у напівпровідниках при низьких температурах.

З іншого боку, ультрамілкі домішкозі центри посідають значне місце в розвитку струмових нестійкосте». Вольтамперні характеристики СВАХ), багатьох напівпровідників в умовах ішзькотемператрного домішкового пробою мають Б-подіблу форму. Існує декілька теоретичних моделей, що пояснюьть походження відрізку від’ємної дйференційної провідності (ВДП). Одна з найбільш досконало опрацьованих теорій Л/ для пояснення Я-подібної форми' БАХ потребує залучення до розгляду процесів ударної іонізації із збуджених станів доміРоль Яільи мілких порівняно з основним станіз домішки є визна-

- 1 -

чальною для формування відрізка ВДП. Незважаючи на великий обсяг експериментального матеріалу на сьогодняиіній день не можна однозначно стверджувати справедливість тієї чи іншої моделі.

Як правило, фізичні параметри мілких домішок досліджуються за допомогою відомих оптичних, гальваномагнітних та резонансних методів таких як ЕПР, ДЕЯР, та ін. На жаль, ці експерименти малоінформативні що до висвітлення деталей електрон-фонокноі взаємодії у вищезгаданих процесах. Розвинутий в останніх два десятиріччя метод теплових імпульсів /2/ дає можливість детального дослідження процесів розсіяння акустичних фононів терагерцового діапазону і 1-3 меВ).

Так, ця методика використовувалась для вивчення стимульованих фононами електронних переходів між двома локалізованими станами; існує достатньо (Загата література, присвячена розсіянню фононів вільними носіями, однак експе[иментальних досліджень фононостимульованих переходів типу "локалізований стан - зона провідності" на сьогодні немає. Наймілкішими з відомих у напівпровідниках локалізованими станами є Б' СА+)

- центри. Енергія зв'язку зовнішнього електрона становить

0.7 -2 меВ в залежності від матеріалу, тобто такі стани є ідеальними для дослідження фононостимульованих процесів останнього типу.

В зв’язку з цим метою роботи стало:

1. Дослідження фононостимульованих електрони* переходів тану локалізований стан - зона провідності на прикладі 0~-центр1в з метою вивчення ролі поляризації фононів у таких процесах.

2. Експериментальне дослідження ролі збуджених станів у розвитку низькотемпературного домішкового пробою та формуванні відрізку ВДП.

Наукова новизна роботи підтверджується наступними результатами:

- запропоновано нову методику реєстрації часо-пролітних спектрів нерівноважих фононів, що базується на вимірюванні провідності, обумовленої фононостимульованою нейтралізацією 0"-центрів.

- вперше експериментально показано, що інтенсивність взаємодії продов.ініх акустичних коливань з Б'-центрами на

- 2 -

порядок перевищує інтенсивність взаємодії хвиль зсуву.

- нерівноважні акустичні фонони призводять до прискореного розвитку дсмішкового пробою в та викликають осці-

ляціі струму, що за своєю формою співпадають з коливаннями, зареєстрованими в стаціонарних умовах.

- вперше експериментально показано, ідо температурні залежності величини відрізку ВДГТ, а також сигналу фононопро-відності, в епітаксійних шарах баАз масть сингулярність в області Т а 2.2К.

- Часо-пролітні спектри фононів, що випромінюються гарячим електронним газси а епітаксійних шарах в&Аз, різко змінюють свою форму за умови повної Іонізації нейтральних домішок.

Достовірність та надійність отриманих результатів визначаються сучасніш рівнем використаних у роботі експериментальних методик та обладнання, відтворюваністю результатів та їх узгодженістю з відповідними теоретичними оцінками та літературними даними.

На захист виносяться:

- результати досліджень взаємодії нерівноважних акустичних фононів з Б_-ценграми в Бі:Р.

- результати досліджень впливу одновісного стиску на глибину відрізку ВДП в Эе^Ь, а також нерівноЕахних акустичних фононів на розвиток струмових нестійкостеЯ.

- результати вимірювань температурних залежностей глибини відрізку ВДП та сигналу фононопровідності в епітаксійних шарах ЄаАз.

- результати досліджень часо-пролітних спектрів акустичних фононів, що випромінюються гарячим електронним газом в епітаксійних шарах ЄаАз.

Апробація матеріалів дисертації. Матеріали, що увійшли до дисертації, доповідались на наукових семінарах ІФ АН України, підсумкових наукових конференціях ІФ АН України, Сьомій Міжнародній Конференції з Розсіяння Фононів у Конденсованих Середовищах ССША, Ітака, 1992).

Публікації: за результатами дисертації опубліковано 4 роботи, список яких наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з - 1 -

вступ/, трьох розділів, висновків та списку цитованої літератури. Дисертацію викладено на 137 сторінках машинописного тексту, вона містить 39 малюнків та 7 таблиць. Список цитованої літератури складається а 103 найменувань.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ.

У вступі висвітлюється актуальність обраної тематики, подано структуру та зміст дисертації.

Розділ перший присвячено описові експериментальних методів, що були використані в роботі. 6 п.1.1 викладено обгрунтування обраної методики, аналізуються різноманітні ре-жиш теплопровідності у напівпровідниках. Показано, що балістичне розповсюдження акустичних фононів при гелієвих температурах: обмежується головним чином пружним процесом розсіяння на ізотопічних дефектах структури та їх ангармонічним розпадом. Максимальні енергії акустичних хвиль, що нерозсію-ючись розповсюджуються на відстань 1 см становлять 1.5-3 меВ. Фонони таких енергій інжектуються в кристал розігрітою електричним струмом металевою плівкою, напиленою на грань зразка, а детектуються звичайно за допомогою надпровідного болометра, що напилюється на протилежній грані. Технологія приготування для вимірювань зразків, експериментальна техніка та вимірювальна апаратура описані в п. п. 1.3-1.4. Всі вимірювання в даній роботі було проведено в діапазоні температур 1.7 - і. 2 К. Необхідна температура експерименту досягалась за допомогою системи реєстрації та регулювання, принцип дії якої базується на зменшенні температури рідкого ге-■пю при зниженні тиску його пари шляхом відкачки. Всі вимірювання виконувались в автоматичному режимі. Для автоматичного керування експериментом використовувалась мікро-ЕОМ "ДБК-1”, зпряіена з програмно-керованим стробоскопічним осцилографом. Оригінальною розробкою є також електронна схема "охолоджуваного" підсилювача, розробленого з метою підвищення чутливості при вимірюванні слабких сигналів в широкій полосі часто; при низьких температурах.

Розділ другий присвячено досліжденню взаємодії нерівно-валннх акустичних фононів а 0'-центрами в кремнії. В п.2.1

- 4 -

описуються відомі літературні дані з проблеми електрон-фонониоі взаємодії за участю мілких домішок. В прямозонних напівпровідниках на вільних носіях розсіюються тільки продовжні' фонони, що викликають зміну об’єкту елементарної комірки. Участь поперечних хвиль у таких процесах можлива лише в багатедолинних кристалах. Показано, що в фоноиостимульова-них електронних переходах між синглетним та триплетним рівнями долин-орбітально розщепленого 1Б- стану БЬ в (5е головним чином беруть участь поперечно поляризовані пружні хвилі. Подасться відомі на сьогодняшній день експериментальні та теоретичні дані по 0“-центрах в ве та Бі. Після літературного огляду формулюються зада Л досліджень. П.2.2 присвячений теоретичному та експериментальному вивченню температурної залежності концентрації іГ-ценгрів. Розглядається наступна модель С мал. 13:

2 1 3 < 4 * 5 6

:— 0+

І.'-'

Малюнок 1.

Зразок опромінюється інфрачервоним світлом з довжино« хвилі, достатньою для іонізації нейтральних донорних атомів СІ). При цьому в зоні провідності з'являється деяка концентрація вільних електронів. При зворотніх переходах вільні носії можуть захоплюватись як іонізованими донорами С2). так і нейтральними СЗ). Завдяки останньому процесові деяка частіша електронів накопичується на Б~-станах. Останні можуть бути нейтралізовані шляхом фононостинульованих переходів (4), або Іиїрачервоніш світлом С5). Показано, то за умови ND- N ,п

- 5 - *

( Ир-, На, п - концентрації 0“-центрїв, компенсуючих акцепторів та вільних носіїв, відповідно) кут нахилу активаційної залежі ості Нв- від температури становить Еав/2 С тут Езв-енерг1я зв’язку). При зворотному співвідношенні >> Кр-, п кут нахилу становить Едв. Відповідні співвідношення між Ма, Нр- та п визначаються ступенем компенсації зразка, температурою та інтенсивністю ІЧ-св1тла. В області дуже низьких температур подальше зростання концентрації Мв- обмежується процесом (5), причому температурна залежність І^-СТ) насичується. При умові, що в зразок Інжектупться нерівновак-ні балістичні фонони з енергіями, достатніми для нейтралізації Б'-центрів, має місце ефект фононопровідеюсті. За рахунок фононостимульоваиих переходів С6) зростає концентрація вільних носіїв, а відтак 1 зменшується опір зразка. На малинку 2 подано експериментально вимяряну залежність сигналу фононопровідності від температури. Вона має ек :поненційкий характер з енергією активації 1.75 ± 0.05 меВ, ідо узгоджується з відомими експериментальними та теоретичними даними /3.4/.

На малюнку 3 показані часо-пролітні спектри нерівно-важних фононів, детектоваяих з використанням болометра (а), та методом вимірювання фононопровідності -Ь. Відношення амплітуд ПА/ІД та ЕТА/'БТА сигналів, зареєстрованих різними методами, відрізняються. Сорма часо-пролітного спектру фононів, виміряного останнім способом не залежить від температури (концентрації іГ-станів) та від потугності фононного імпульсу. Ці, а також експерименти проведені в інших кристалографічних нарямках, свідчать, що відмінність форми спектрів в залежності від способу реєстрації пояснюється різним інтенсивностями взаємодії фононів зазначених поляризацій в процесі нейтралізації Б'-центрів.

Розділ третій присвячено дослідженню струмових нестій-костей в германії та арсениді галлію в умовах домішкового пробою. В п.3.1 міститься огляд літератури. Серед широкого загалу теоретичних уявлень найбільш істотними є дві моделі, що пояснюють причини формування відрізку ВДП в умовах пробою. Це, по-перше уже згадана нами "багаторівнева" схема та теорія екранування процесів розсіяння. Остання передбачає зсув функції розподілу вільних носіїв в бік високих енергій

- 6 -

Малюнок 2. Температурна залежність фононопровідності в Si : Р

рНопап ґі-изс хтхі. (сии. )

і'Іалюнок 3. Часо-пролітні спектри акустичних фононів, зареєстровані болометром (а), та методом вимірювання сигналу фонанопровідності (Ь) Усі спектри нормовані на амплітуду ГГА-иоди,

за рахунок зростання рухливості внаслідок ефективнішого ек ранувакня розсіяння на Іонізованих домішках при більших концентраціях вільних носіїв /5/.

Вимірювання ВАХ зразків (ЗеїБЬ в режимі постійного струму викладені в п:3.2. Зростання величини поля пробою Е^г С див. нал. 4) із зменшенням температури пояснюється в райках моделі іонізації з кількох рівнів зменшенням темпу термічної іонізації Із збуджених станів. Цей факт, в свою чергу, призводить до накопичення більшої концентрації електронів на збуджених станах в передпробійних полях, цо проявляється у зростанні відношення ЕЬг/Е^. Одновісне стискування кристалу в напрямку <111> також викликає збільшення відношення ЕЬг/Е|Г В . зразках досліджуваних концентрації! С1^-На=21016сы"3 ) 2р'-стан домішки розмивається в зону шириною 3, меВ внаслідок перекриття хвильових функцій електронів на сусідніх атомах БЬ. Стискування зменшує ширину цієї зони, цо викликає ефективне збільшення енергіі активації збудженного стану і зменшення темпу термічної Іонізації. Таким чином, одновісна деформація кристалу до деякоі міри еквівалентна зменшенню температури експерименту.

Коли робоча точка знаходиться на відрізку ВДП, як відомо, спостерігаються осціляції струму, частота та форма яких визначається в першу чергу положенням робочої точки на ВАХ. За умови, коли електричне поле, прикладена до зразка, менше від Е^г, коливання струму не виникають. Нерівноважні акустичні фонони, інжектовані в зразок, викликають осціляції, які співпадають за своєю формою з тими, цо мають місце в стаціонарних умовах. Енергіі балістичних фононів достатні, щоб викликати переходи збуджений стан - зона провідності. Таким чином, різко зростає сумарний темп іонізації, ідо в свою чергу, служить причиною прискореного розвитку домшко-вого пробою. '

Детальні дослідження температурної залежності глибини ВДП, тобто ЕЬр/Е^ , в епітаксійних шарах СаАэ викладені в п.З.3. Як і передйачено теорією /2/, відношення ЕЬг/ЕК е спадаюча функція температури, однак в районі Т ^ 2.2 К, ця функція має особливість, що не пояснюється теорією. Схожий характер температурної залежності має сигнал фонснопровід-ності. Внаслідок малоі товщини зразка (430 мкм) та достатньо

Electric field (Y/cm)

Маяонок 4. ВАХ зразків Ge: Sb а- Т=4.2К, Р=0, Ь- Т=< 1 109 Ра, с - Т » 2 К, Р * О

ііте (¡із)

Маленек 5. Часо-пролітні спектри акустичних фононів випромі-тованих гзрячимя електронами в СаА5 пря різних напруженостях електричних полів: а - Е = 17 В/см, Ь - Е = 19.2 В/см,

с - Е = 87 В/см, сі - Е = 140 В/су, Уаі спектри нормовані на знергіо збудження електронного газу.

високих потужностей, наданих генераторові фононів, за сигнал фснонопровідїіості відповідальні два процеси - фононостиму-льовагі переходи з основного та збудженого станів домішки в зону провідності. Ці експериментальні результати спостерігається вперше 1 можуть бути пояснені стрибком опору Капіци при переході через х-точку рідкого гелію, де відбувається фазовий перехід Ке від нормальної до надтекучої рідини. За цих умов різко змінюється процес теплообміну на границі розділу тверде тіло-рідкий гелій, що впливає на розвиток електронних процесів.

В п.З.4 досліджуються часо-пролітні спектри тепла, випромінюваного гарячим електронним газом в епітаксійних шарах СзАе. Порівнюються часо-пролітні спектри фононів, генерованих металевою С Аи) плівкою та електронним газом напівпровідника. В усьому інтервалі потужностей, наданих золотій плівці, часо-пролітний спектр фононів майже відтворює форму електричного імпульсу збудження. Це пояснюється балістичним розповсюдженням фононів, причому за нашими оцінками, температура ’випромінювача сягає 15 К. Часо-пролітний спектр фононів, генерований електронним газом напівпровідника, має більш складний характер. В області малих енергій та електричних полів (менше 40 В/см). він складається з балістичного піка, е,о змінюється в часі затягнутим хвостом (мал. 5). Присутність хвоста пояснюється достатньо довгим часом релаксації електронів із зони провідності в основний стан домішки /б/. Із збільшенням напруженості електричного поля часо-пролітний спектр змінює свою форму. В великих полях внаслідок повної іонізації нейтральних домішок рухливість носіїв різко зростає, при цьому збільшується температура електронного газу і змінюється спектр випромінюваних ним фононів. .

У висновках підсумовуються результати роботи, а також аналізуються імовірні напрямки подальшого розвитку. .

ВИСНОВКИ.

1. Вперше зареєстровано часо-пролітні спектри акустичних фононів методом вимірювання фононопровідності кристалів

- 12 -

St:P у кристалографічних напрямках <110> та <100>, зумовле ноі фононостимульованим розпадом 0”-центрів.

2. Інтенсивності взаємодії продовжньо поляризованих фононів перевищують на порядок Інтенсивності взаємодії FTA-коди в напрямках розповсюдження <110> та <100>. Повільна поперечно поляризована мода в напрямку <110> тако* взаємодіє з 0”-центрами більш Інтенсивно, ніх FTA-ыода,

3. Температурна залежність фононопровідності має активаційний характер з показником, що дорівнює енергії зв'язку D~ - стану. Експериментально визначена величина становить 1.75 + 0.03 меВ, що певністю узгоджується з результатами вимірювань фотопровідності та теоретичними оцінками. Відхилення від активаційного характеру в області низьких температур пояснюється домінуючим порівняно з фононним фоторозпадом цих станів.

4. Одновісне стискування зразків Ge:Sb викликає збільшення величини відрізку ВДП, що пояснюється в рамках багаторівневої моделі розвитку пробою. Нерівноважні фонони, стимулюючи переходи збуджений стан - зона провідності викликають прискорений розвиток пробою.

5. Температурні залежності глибини відрізку ВДП та фононопровідності в епітаксійних шарах GaAs мають особливість при температурі близько 2.2 К. Ця сингулярність не моке бути пояснена з точки зору існуючої теорії. Якісно іі можно пояснити порушенням режиму теплообміну між зразком та оточуючим середовищем в Х-точці рідкого гелію.

6. Часо-пролітні спектри фононів, випромінюваних електронним газом в епітаксійних шарах GaAs, змінюють свою форму при повній іонізації зразка. Це пояснюється тим, що при достатніх концентраціях нейтральних домішок зростання електронної температури обмежується механізмом ударної іонізації. При відсутності цього механізму зростає електронна температура та змінюється спектр випромінюваних фононів.

Основні результати дисертації викладено в наступних публікаціях:

1. В. A. Danllchenko, S. I, Komlrenko, S.Kh.Rozhko, In •yestigation of the role of the excited states in the lmpuri-

-!)•

ty breakdown development /Phys. Slat. Sol. Cb) IBS, 443, 1991./

. 2. Б. А. Данильченко, С. И. Комиренко, Нейтрализация ¡Г центров в Si; Р баллистическими фононаші различных поляризаций, / Письма в ЖЭТФ , 54. N7. 384-387./

3. Д.Л. Данюк, С. И. Комиренко, Охлаждаемый предусилитель, /Приборы и техника эксперимента, N1 1393 (принято в печать)/

4. В.A.Danllchenko, S. I.Komirenko, Neutralization of D-centers in Si: P by ballistic phoncns of various polarizations. /Proceedings of 7-th International Conference on the Phonon Scattering in Condensed Matter, 3-7 August, 1992, Ithaka, Hew York, LKA /

ЛІТЕРАТУРА

1. E.Scholl "Nonequilibrium phase transitions in semiconductors", Springer-Verlag, Berlin, 1987.

2. "Физика фононов больших энергий", сб.статей под ред. И. Б. Левинсона, Москва, "Мир", 1976.

3. Е. М. Гершензон и др." Примесные Н'лодобные центры и обусловленные ими молекулярные комплексы в полупроводниках", УФН, т. 132, в. 2. 1980.

4. Бете Г., Солпитер Э., "Квантовая ыеханика атомов с сдниы и двумя электронами”, М.,"Физматгиз", 1960.

5.R.S. Crandall, J. Phys. Chern. Solids, Vol.31, pp 2069-2077, 1970.

6. Мешков С. В. ФТТ, т 21 .N 4, 1979.