Исследование нелинейных эффектов в полупроводниках в области прыжковой проводимости при одноосной упругой деформации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ТБИЛИССКИЙ- ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАЮТ! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ХАСАН МАЛЕК АХМАДОВ1Н

УДК 621.315.592

ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛШЙЙ1Я ЗФЬЕКТОЗ Б ПОЛУПРОВОЙПИШ В ОБЛАСТИ ПРЫККОВОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПРИ ОДНООСНОЛ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ

01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ дессэртацяи на сояскапке учояой отеиехв кандидата Фазяко-г/лге'гатачгосг-сгс наук

Тбял::

Работа выполнена в Тбилисском государственном университете.

' Научннй руководитель - доктор физико-математических наук

Д.И.МАДАШВШШ

оппонента : доктор физико-математических наук

А.Б. ГЕРАСИМОВ кандидат йяаико-математических наух старший научный сатрудник Н.Д. ДОЩЦЗЕ

Ведущая организация : Институт кибернетики АН ГССР

I ■

Защита состоится 27 декабря 1990 г. в 14°°час . на заседании специализированного совета Д.057.03.02. Тбилисского государственного университета но адресу: 380028,г.Тбилиси,пр. Чавчавалзе 3,аудитория $ 178 (ВШ

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотека Тбилисского государственного университета.

Автореферат разослан 6 декабря 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат Фкз.- мат. наук,

доцент ■ / ЦЯГАИШ11И Р.В./

Официальные * \

\

1

- 3 -

ОЯДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прижковая проводимость локализованных •носителей является альтернативной зонному механизму переноса заряда свободная! носителями и поэтому имеет уже долгую историю исследований . йзачале считалось, что прыжковая проводимость является " экз отите ской"поскольку наблюдалась в легированных кристаллах при очень низких температурах. •Однако .затем,оказалось, что грняковая проводимость-является основным механизмом транспорта в неупорядоченных системах с локализованными состояниями /1-4/ . Так , что благодаря случайности в пространственном расположении примесей низкотемператуная проводимость легированных полупроводников моделирует свойства.широкого класса неупорядоченных систем , раскрытие механизмов переноса носителей б которых является одной из важнейших проблем физики конден-. сированных сред . Возросшее ' внимание к теоретическому и экспериментальному исследованию, особенно в последнее время, -обусловлено не только большим научным интересом, но и широким практическим применением этих материалов в электронной технике . . . .

_ К настоящему времени существует общепринятая теория прыккового транспорта . - Особено хоропо изучена пршисззя проводимость в слабо легированных полупроводниках, Лоэтсцу интересно , когда именно в таких материалах обнаруживается новый эффект, который трудно объяснить.

При исследовании прыжкового транспорта в сильных зло-ктрических полях ,которое ватао для работы приборов,были обнаружены два интересных явления : отрицательное

■ * I . з. а. аяи» | Отдел • I

¡ССМТЩИЙ |

ференциалькое сопротивление (ОДС) в области прыжковой " про. водимости • /5/ и эффект гигантской неомичности в слабых эле- ' ктрических полях /6/ . Последний эффект особенно интересен тем,,что, во-первых, кристалл чувствителен электрическому полиукогда он находятся под действием одноосной упругой-деформации, причем в узком интервале • давлений . Оба эти аффекта еще недостаточно изучены. Последгшй из них еще не имеет объяснения. А подробное изучение этих явлений может цролить свет на многие неясные вопросы касающиеся прыжковой проводимости в сильных электрических полях.

Цель данной работы состояла:, в экспериментальном исследовании явления ОДС в образцах с различными параметрами , в изучении ОДС при одноосной упругой деформации, исследовании ВАХ слабо легированных и слабо компенсированных полупроводников в области насыщения прыжковой проводимости под давле- • нием,в подробном изучении эффекта резкого роста неомичности в слабых электрических нолях в узком интервале деформаций в , нелегированном антимониде галлия.

Для достижения поставленной ц^гк необходимо было:

I. Создать установку для измерений электрических свойств полупроводников при низких температурах,в сильных электри- • чесюга и магнитных полях и одноосной упругой деформации,

2» Исследовать полевые,температурные зависимости прыгко-вой проводимости при одноосной упругой деформации .

Научная новизна работы определятся тем,что впервые:

1. Изучено явление ОДС в области прынковой цроводаоцти, под давлением.

2. Нредасжена модель,объясняющая резкий рост нволшчыоетн в слабы?; электрических полях при призоквшя упругой де£ор~

мации.

Практическая ценность состоит в выяснении механизма неомического транспорта, лекащих в основе действия многих приборов на базе аморфных, стеклообразных и легированных кристаллических полупроводаиков.

Основные положения, выносимые на зациту:

I. Амплитуда, частота и пороговое поле начала осциляяций тока зависят от степени компенсации : с ростом К амплитуда уменьшается, частота и величина порогового поля начала-осцилляций растут .

• 2. При приложении одноосной упругой деформации в образцах с областью отрицательного дифференциального сопротивления происходит срыв генерации.

3. Одноосная упругая деформация з области насыщения прыжковой проводимости вызывает переход от 'сублинейных к суперлинейннм ВАХ.

4. Наблюдаемый резкий рост неомичности в узком интервале, одноосных деформаций в антимонвде галлия вызван увеличением плотности состояний , связанным перекрытием мелких и б сию а глубоких пртгосннх центров.

Апробация_работа . Основные результата работа докладывались на Всесоюзной школе-сеьянаре но физике неравновесных квазичастиц в твердых телах ( Батуми, 1388 г.), на Международной конференции по прыжковой проводимости (Чонгл-Хялл, СНА,19§9 г. ), '¿езсдународаой конфоротгда по локализации ( Лондон, 1390 г }, и семинарах каждой физия твердого твла Тбилисского государственного уннвесптета."

Структура к обьем рзбогц.Диссертацдя' состоит кз ЕЕедензя, четырех глаз и заключения. Содера;? 113 страниц, ззомчая

рисунков. Список цитируемой литературы содержит 58 наименований. • •

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНКЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введеюги обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяется цель работы,, раскрывается ее структура и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава имеет обзорный характер : дан обзор теоретических и экспериментальных работ по омической и неош-ческой йрюшовой проводимости'в слабо легированных полупроводниках . Приведено сопоставление теории с экспериментом.Здесь же рассматриваются теоретические и экспериментальные работы, касающиеся влияния одноосной упругой дефор-• мацик на прыжковую проводимость кристаллических полупровод-ников . На основе анализа публикаций сформулированы цель и задала работы .

Вторая глава посвящена экспериментальным методам исследования . Описаны конструкции экспериментальной установки для исследования электрических.свойств полупроводников-в диапазона температур 4.2 - 300 К к при одноосной упругой деформаций .

Йзлакен применяемый в данной работе метод измерения удельного сопротивления внсокоомша образцов /7Д исключающий влияние контактов и более помехоусто йчкзкй , чем четкрехзондовнй метод. Рассматривается блок-схема автоматизированной измерительной састеиа с микро~ЗШ С0-05.Ксходааш ■данные и результата. обработки вдводаш» _ на; дшикеЗ к

графопостроитель в процессе эксперимента и записывались на гибкие диски .

Приводится подробная блок-схема иамештелъной подсистемы для исследования вольт-ашерньк характеристик образцов с отрицательным дифференциальным сопротивлением .

Описаны технология подготовки образцов к измерениям, дана оценка погрешности измерений.

В третьей главе приводятся -экспериментальные результаты исследования явления отрицательного дифференциального-сопротивления, полученные на кристаллах с разными сара-днтраш при одноосной' упругой деформации . Рассмотрены экспериментальные данные по влияния одноосной упругой деформации на -омическую и несшческув проводимость слабо компенсированных полуггроводапкоз в области насыщения пршс—, ковой проводимости .

На рисунке I приведены области осцилляцяй на зависимостях плотности тока от электрического подя Е при медленном увеличения Е во врегши для трех-слабо легированных кристаллов кремния практически с одной и той яе хонцеятрацзй примеси бора N. г 5.5.1018 йл3 и различной степенью компгясацни К ( I- 4.10*,'5.Гб\ 3- ЗЛО'3) ( Т = Ю й-}. Как. гздпо из рисунка амплитуда , частота и взлагаиза порогового поля начала осцгтяцяй зависят о? компенсации. С увеличением |< ' амплитуда осцялляцзй умеиьнзотся, а частота и золлчкнз порогового пата увеличиваются . Эти результата согласуются с теоретическими представлениями работы / 8 /.

Интересный результат бил получен при исследоэанет влияния одноосной упругой дефоруац-ис на ОДС .. Ка риз 2 представлены ВАХ для кремния ( с ко.^чятрацнзй принеси N. - •

7,3.10 См3 и степенью компенсации К = 2.1б4 ) при'разли-чных фиксированных значениях одноосной упругой деформации X •

с одинаковой концентрацией примеси бора N„=5,5.10,50>.:;2 но с разами стеиекяма компенсации, изкореякне при 10 К . степени -номленоацгп образцов : I- 10% 2-

рио.2. ВИ 5"<В>( N. = 7,З.Ю,в См3, К = 2.1С)4),

измеренные на контактах 1-4 при разных значениях X , Ша : I- 0 , 2- 6 , 3-10 , 4-150."

Как видно ужа в области очень малых давлении ( X 20 Ша ) с ростом X пороговое пале сдагаотся з область более сильных полей, амплитуда оссрсияэдй уменьшается, а частота растет. При дефоркацкк X - 20 Ша происходит срыв генерация я при X ) 20 Ша . набдэдавтся сублинейная ВАХ без осциляяцяй . Пркигденш» на рис 2 оксперн-ментальные данные получены прнТ=10 К. Из.-,и были ксследопа-

ны ВАХ. ври различных температурах и фиксированных давлениях. Результаты исследования показали, что интервал температур, в котором наблюдаются осцилляции тока с увеличениям давления сужается .

Как извесно, ОДС имеет место только в области насыщения прыжковой проводимости . При повышении температуры осцилляции исчезает при приближении к зонной проводимости,а при понияении-при выходе из области насыщения . Следовательно, при приложении давления должна сужаться область насыщения пршковой проводимости . Для получения этой картины были исследованы температурные зависимости удельного сопротивления при различных % . Показано, что с увеличением величины давления протяженность области насыщения на кривой Р (1/т) уменьшается . С одной стороны это вызвано уменьшением энергии ионизации акцепторной примеси с давлением,то есть сдвигом зонной проводимости в область более низких темпера- • тур, а с другой ( т.е. со стороны низких температур ) увеличением энергии активации пршковой проводимости. В итоге это практически приводит к-исчезновению области насыщения на температуной зависмости удельного сопротивления. Тогда при больших давлениях, т.к кржвакР не имеет уже области насыщения, в области прыжковой проводимости должны наблюдаться только суперлинейныв ВАХ . ( Согласно /8-9/ в области насыщения пршковой проводимости наблюдаются сублинейная, а в области прыжковой проводимости с постоянной энергией активации-суперлинейныв ВАХ ). Следовательно в образцах, где наблюдается сублинейные ВАХ, при прнлонении давления должен произойти переход к суверяиней-нш ЗАХ, что нами было получено ирг исследования- слабо'

- И -

компенсированных кристаллов кремния и германия . На рис 3 приведены зависимости электропроводности от электрического поля для образца кремам, легированного галлием ( N. = 4.10'7 См3) при разных 7, " Т •

£ ил

. с;

0.6 ......I........г.....1 1 1Г Г -

0,4 _ . Х=915 < . 2' -

0.2, 1 1

0

0,2

О,А N

-0,6 . . . ! 1 1 3 1 (

О 400 80О

Е, В/см

рис.3. Зависимости £<Т (£)/СУ 1ГРИ различных

температурах без деформации - кривые 1,2,3 и пря

/ / »

одноосном давлежл 915 Ша -1,2,3 для образца Т'Х : 1«1'- 12'35 » 2»2'~ 13-Э3 ' 3,3 -16,10

Как видно под давлением пря о'о'.г/. тетаературах протс-ходгт переход от с/б к суперлинейигл

- 12 -

. Четвертая глава посвящена изучению эффекта резкого"воз-. растания неомичности в слабых электрических полях в узкой • области одноосных деформаций, наблюденный в нелегированном ант^мокиде галлия .

При исследовании зависимости электропроводности от электрического поля в нелигированном GdSt при различных фиксированных значениях одноосной упругой деформации было установлена, что до давления % = 200 Ша полевая зависимость имеет обычный характер : вначале наблюдается омическая проводимость, затем узкий параболический участок, который переходит в экспоненциальную' зависимость проводимости от электрического поля, где ОТ описывается выражением :

<Т СЕ) = <FC°> exp (eE3N$o) ( коэффицентS зависит от различных факторов, которые определяются проводящей сеткой и ее значение в обычных случаях лежит в интервале 0.4<J3<2)..

В интервале полей 130<Е<500 3/см изменение электропроводности с полем можно описать зависимостью SiQT-iÍE . Однако приX-200 Ша CF(Е) становится крайне чувствительной функцией напряженности электрического поля . На рис.4 показана зависимость величины 3 » определенной по наклону ,

от давления . Как видно величина В , начиная с % = 200 Mía резко растет , достигает максимума к затем резко падает. Причем ее максимальная величина достигает 12. Возникновение аномально большой полевой зависимости наблюдается при

давлениях, когда зависимость f {%), изморенная в омическом

i

ре&име достигает максимальной величины.

- Для сравнения этих данных с экспериментальными результатами в других кристаллах бшш исследоганы зависимости эле., ктрояроЕодности от капряженяоссси аязктричэсксго поля для

р-баБЬ

р-БКВ)

200 400 600 800 Х(МРо)

рис.4. Зависимость коэффицента нвомичноотв осного давления для p-Ga.Su и р-5> .

от одно-

слабо легированных кристаллов кремния и германия при разных значениях одноосной деформации.На этом лее рисунке приведена типичная зависимость величины 3 от давления для одного из исследованных кристаллов кремния . Как видка из рисунка в легированном бором кремнии, аналогичный эффект не наблюдается. На этом рисунке можно выделить три области давлений Д » В п С • отделенные вертикальными пунктирными линиями.

В области А полевая зависимость обычная, т.о В =0.6, в В -нвсмичность резко возрастает ($=11-г 12 ) и в области С Р резко уменьшается с давлением . Как известно одноосная упругая деформация в кристаллах тала р- вызывает рас -щепленяе зон и примесных состояний. Вследствие этого меняются энергия активации прихковой проводимости £3 и (|шстор перекрытия = Ра . Из температурных зависимостей

- 14 -

удельного сопротивления при различных % были определены изменения £ и с давлением : в области А £ 3 растет достигает максимума, после чего наблюдается спад до первоначального значения, растет во всей этой области (увеличивается примерно в 200 раз ). Б области В энергия активации почти постоянна, а % уменьшается примерно в 5 раз. быстро уменьшается ( больше, чем в 6 раз ) в области С » а

X (МРо)

рис.5. Схема модели, обьсняющэй аномальное поведение прыакового транспорта в р-блБь. Левый рисунок : плотность мелких и глубоких акцепторных состояний при* =0. На нравом рисунке показаны сдвиги с давлением потолка валентной зоны,мелких и глубоких акцепторов.Области А, В , с указаны.

- 15 -

/э меняется очень слабо. Показано, что в области А увеличение ^ с давлением, а также поведение хорошо объясняется расцеплением основного акцепторного состояния с давлением , аналогично р- 0t /10/ . Для объяснения аномального эффекта увеличения неомичности, а тагасе сильного спада Д в самой интересной области В .предложена модель, учитывающая роль более глубоких акцепторных центров (<5 = 0.34 эВ /11-13/ ), концентрация которых больше, чек на порядок превосходит число мелких акцепторов. Предполагается, что глубокие акцепторные уровни приближаются, а затем и перекрываются с уровнями мелких акцепторов, вызывая тем самым рост плотности дырочных состояний вблизи уровня Ферми, быстрое уменьшение прыжкового сопротивления . На рисунке 5 представлена схема модели , объясняющей аномальное поведение прыжкового транспорта в p-Ga.Su .

В этой яе главе приводятся результаты исследований температуных зависимостей коэффициент Холла для специально компенсированых кристаллов р-баБЫгри высоких гидростатических давлениях проведенные с целы) определения параметров глубоких центров.

ЗЛК1ШЧЕЕШЕ

В работе получены следущие основные результаты:

I. Амплитуда,частота и пороговое поле начала осцилляций, именах место в слабо легированных кристаллах кремния в

- 16 -

области прыжковой проводимости, зависят от степени компенсации : амплитуда с ростом К уменьшается, частота и пороговое поле увеличиваются .

2. Явление ОДС очень чувствительно к одноосной упругой деформации. Приложение малого давления (ОС = 20 Ша) срывет генерации. А в интервале давлений О <Х,< 20 Ша с ростом % пороговое поле начала, осцаяляций и частота увеличивается, амплитуда уменьшается .

3. Под действием деформации в области насыщения прыжковой проводимости происходит переход, от суб к супердинейным

БАХ. ■ ;

#

4. С ростом давления % происходит сужение области насыщения прыжковой проводимости вследствие уменьшения энергии ионизации примеси и увеличения энергии активации прышсовой проводимости .

5. Резкий рост неомячности, имеющий место в кристалла^ антимонида галлия при приложении давления не наблюдается в кремнии и германии ,

6. Наблюдаемый аномальный эффект рост неомичности в P-GüSfc объясняется перекрытием мелких акцепторных состо-

ный с глубокими примесными центрами под действием давления.

7. Исследованием температурных зависимостей коэффицинта Холла при высоких гидростатических давлениях определены барические коэффициенты глубоких уровней ( Е(=0.075 Эв, Еь= 0.102 Эв ) в GaSw

¿E/¿f = 0.7.10 эВ,/Ша , ¿E/¿<? = 1.10 эВ/Ша.

- 17 -

Основые результаты диссертации опубликованы в работах:

^QtiUaJbtik Ь-3., ОЛь^а,^Л.,£a,iscU>0iii Неман* т. , Sutuehe. ¿Ьгоп^а./лил Ьсрриъ^ hcuvipobt In- p-GcbSS cd low iaibp&baiiou^ ш 9%t. C<m,i. Hop-p ina cuvcL Heated 9ke.nome.na

ciofd , us a: me

z'(lCa,da*hU(!c CLd^m-i^ ttaacub tf.CL UrdMilL K. З'шгьсЬЬ^^Ш. dm^ioc^ MtbO-Ltrrvic. iopp-iruj. -ЬъсыыроъЪ in p-(xaS£ at cC&^cbrr^cutieyyt. sibom,q

3. Аладошшг Д.И., Адамия З.А.,Лавдовский К.Г. ,Хасан М.А., Цандекова З.М. Неомическая проводимость по примесям одноосно деформированного слабо компенсированного кремния, труда Тбил . унив. т.34 ( в печати )

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шкловский Б.И., Зарос А.Л. Электронные свойства легзгао-ванных полупроводников. - ГЛ., Наука, IS79, 4IG с.

2. Бовч-Бруевич В.Л., Звяган' ИЛ., Kafirsap Р., 5,'лроясэ А.Г., Эндерлайн Р., Злер Б. Электроикзя теория неупоовдочоя-нкх полупроводников. - М., Раука, 1981, '384 с.

3.' Звчган И.П. Кинетические язшоя б неулорядочешда, лолу-проводниках. - Изд.Моск.ун-та, 1984, 192 с.

4. Мотт Н., Деьио Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. - М., Мир, 1974, 472 с.

5. Аладашагли Д.И., Адамкя S.A., Лавдозский К.Г., Левин Е. И., Шкловский Б.И» Отрицательное дифференциальное сопротивление в области прыгковой проводимости в крсшшг. Письма о Ш®, IS83, т.47, в.8, с.390-392.

6. Аладашлла Д»и., Адашя З.А., Лавдовокий К.Г. Ееомичэс-кая прюкковая проводимость акизотропно деформированных кристаллов p-SaSb. ФТП, 1Э37, т.21, в.8, с.1512-1515.

7. Аладашвили Д.И. , Адаккя З.А. , Лавдовокий KJ* . Шгод измерения' ^дольного сопротивления , иаышчаэдпа влияние котактов.' ПТЭ , 1988 , в.6, O.I74-I75, ^ ,

8. Аладашвили Д.К., Адаетя 3;А., Лавдовскпй К.Г., Левин Е. К., Шкловский Б.И. Неошческая прыжковая црозодамость слоба компенсированных полупроводников . ФШ , 1990 ,' 1 т.24, в. ' . .

9- (UdoU^lbtü Ъ З., OoUutüttb I . ¿aedotsli №.

ю. " "" I

ivi"' ---^ • - — ff-V- " - - - - ^J - - г ' I l

п. tUUiilmd . Cjap. f dppl tffyi ., tr. £0,1/6,1025,

im

- Г9 -

12. E&pafeoB А.Н., Воронина Т.Н., Логунова Т.О., Чугува З.И. всесоюзная конф . по физике полуцр., Кителев, 1988 , тезисы т.З. 0.41,

13. Баранов. А.н. , Воронина Т.Н. , Тимченко H.H. , Иерстнов В.В., Яковлев Й.П., 2-ая всесоюзная . конф . по фтзшсе полупроводников . Тезисы докладов . йяшнев, 198Б,т.З , с.41.